高中物理 3.1 天体运动同步素材 教科版必修2

用心 爱心 专心1 3 13 1 天体运动天体运动 一 中国古代的宇宙观一 中国古代的宇宙观 1 1 盖天说 盖天说 天圆地方 2 2 浑天说 浑天说 天是一个圆球 地则位于这个圆球的中间 地如蛋黄 天如蛋壳 3 3 宣夜说 宣夜说 约在战国后期至东汉初期之间 天没有实际的本质 二 古希腊的宇宙观二 古希腊的宇宙观 1 1 地心说 地心说 公元二世纪 托勒密在 天文学大成 中详细的阐述了地心说的宇宙观 认为星体都 是球形的 地球是宇宙的中心 地球是静止不动的 太阳 月亮以及其它行星都绕地球运 动 2 2 什么促使地心说的提出 什么促使地心说的提出 1 古希腊有种思想 认为自然界是完美的 球形和圆是最完美的图形 因此宇宙是 由球形天体和圆形轨道构成 用心 爱心 专心2 2 大航海的发展 人们观测到出海航行的船 在海平面处是渐渐消失的 3 由南往北走 天空中有的星座会消失 有新的星座会逐渐出现 3 3 地心说的困难 地心说的困难 行星 特别是火星的逆行现象 解决方法是提出了本轮 均轮 偏心距等概念 但是 为了与越来越精密的观测数据相符合 地心说的宇宙模型变得越来越复杂 失去了简单的 美 阅读资料阅读资料 值得注意的是 地心说的提出最早可以追述到公元前 6 世纪 毕达哥 拉斯学派提出宙天体是球形的 平面中圆形最完美 天体沿圆形轨道匀速运行 数目中以 10 最完美 所以天体应该有 10 个 中央是 中心火 周围依次为日 月 地和五大行 星 另外一个 对地 这是关于宇宙模型的最早构思 后来 柏拉图学派的欧多克斯建立了一个以天文观测为基础的 用几何形状表示的 同心球壳 宇宙模型 将天体的复杂运动分解成若干个简单的运动 他设想宇宙由 27 个 透明的同心球壳组成 地球居于中心 日 月 众星分别在不同的球壳上 内球的轴又固 定在外层球壳上 内球转动的同时又被外球带动着转动 再后来亚里士多得 前 384 前 322 继承和发展了这一理论 天文学家希帕克抛弃了这一同心球壳理论 提出了以地球为 中心的 本轮 均轮 说 他提出每个星体有自己的周围轨道运动 这就是本轮运动 各个本轮的中心又以地球为中心进行圆周运动 就是均轮运动 为了解释日 月 行星运 动变化 他规定日 月在本轮上的运动方向与本轮本身沿均轮运动 方向相反而速度相同 行星在本轮上的运动方向相同而速度不同 较为完整的地心说宇宙模型 是托勒密 C Ptolemaeus 100 170 在公元 2 世 纪提出的 其代表作是 天文学大成 这个模型继承了古希腊的所谓圆球美满观念 把 宇宙设计成为大球套小球 小球边上甚至还要穿插小小球的复杂圆球体系 这个圆球的球 心就是地球的球心 而恒星 太阳和月亮分布在大小不同的球面上围绕地球做圆运动 诸 行星 水星 金星 火星 木星和土星 既要在各自的小球上围绕地球做圆运动 又要围绕 各自的小小球的球心做圆运动 这样才能解释为什么表观上看到的它们既有顺行运动又有 逆行运动的现象 托勒密地心说在长达一千多年的时期内 被人们广泛接受 其原因主要 是因为目视天文观测的精度很低 按地心说预报的行星位置 又与实际位置相差不多 再 有就是这一学说与 圣经 的内容相符 因而得到教会的保护 用心 爱心 专心3 三 日心说三 日心说 到了公元 15 世纪天文学受到三个方面的冲击 为哥白尼创立日心说提供了历史背景 第一 航海活动提出新要求 第二 文艺复兴沉重打击了神学和经院哲学 作为基督教教 义的亚里士多得一托勒密地心说体系受到怀疑 第三 当时成为燃眉之急的历法改革需要 新的天文体系 在人的头脑中 长期被认为不动的大地开始动摇 罗马教会枢机主教意大 利库萨的尼古拉 1401 1464 就认为地球是个行星 不是宇宙的中心 意大利天文学家和 数学家诺瓦拉 1454 1504 受古希腊毕达哥拉斯学说的影响 认为托勒密体系太复杂 不符合数学的和谐 1 1 哥白尼 哥白尼 1543 年 出版 天体运行论 阐述日心说的思想 认为如果把地心说中地球是中心 的观点转变一下 太阳是中心 别的行星都围绕太阳做圆周运动 那么很多的现象就可以 得到解释 比如 火星的逆行等 用心 爱心 专心4 由于日心说直接危及教会的思想统治 罗马教廷才在迫害科学家的同时 于 1616 年宣 布 天体运行沦 为禁书 2 2 布鲁诺 宇宙没有中心 布鲁诺 宇宙没有中心 在 论无限 宇宙及世界 这本书当中 布鲁诺提出了宇宙无限的思想 他认为宇宙 是统一的 物质的 无限的和永恒的 在太阳系以外还有无以数计的天体世界 四 开普勒四 开普勒 1 1 第谷 近代天文学奠基人 第谷 近代天文学奠基人 第谷 布拉赫 Tycho Brahe 1546 1601 是丹麦天文学家 在丹麦的汶岛二十年如 一日的进行天文观测 记录了大量的数据 并且 他把观测精度由 10 分提高到 2 分 这 8 分仅仅相当于时钟秒针走过 1 秒的角度的五十分之一 另外 第谷是西方首先观测到新星的天文学家 1572 年 11 月 11 日他观测到仙后座中 出现了一颗比金星还亮的新星 并证明它不是一颗像彗星一样的近距离天体而是一颗遥远 的恒星 实际上 新星 nova 一词便是第谷制定的 新星的发现打破了亚里士多德的天界 永恒不变的学说 第谷也是西方把彗星看作天体的第一人 按照亚里士多德的说法 彗星 是地界四元素最上层的火元素与旋转天球相邻部分接触燃烧的结果 第谷根据对 1577 年大 彗星的观测 认为彗星比月球远得多 而且穿越金星 太阳和火星 从而否定了托勒密体 系中天球是坚硬的水晶球层的观念 2 2 开普勒 天空的立法者 开普勒 天空的立法者 开普勒 Johannes Kepler 1571 1630 是德国人 生于符腾堡 1587 年进入杜宾根 大学 在校中遇到秘密宣传哥白尼学说的天文学教授麦斯特林 受其影响 开普勒很快成 为哥白尼学说的忠实维护者 1956 年出版 神秘的宇宙 一书 这本书宣传了哥白尼学说 神秘的宇宙 出版后开普勒寄了一本给他所崇拜的丹麦著名的天文学家第谷 布拉 赫 Tycho Brahe 1546 1601 第谷很欣赏开普勒的数学才华 1597 1560 年间两度邀 请开普勒到自己的身边工作 1600 年 2 月 3 日开普勒到达第谷的贝纳特基堡观测台 担任 用心 爱心 专心5 第谷的助手 1601 年 10 月 24 日第谷去世 临终前把自己多年积累的天文观测资料留给了 开普勒 开普勒非常珍惜第谷一辈子辛勤观测获得的宝贵资料 从第谷的数据可以看出 开普勒原来设想的简单宇宙模型是不能解释实际观测结果的 因而也是不切实际的 开普 勒只好重新思考 他坚信天体运行是有规律的 而且这些规律必定具有普遍性 也就是说 这些规律应该适用于尽可能多的星辰 他开始运用数学方法对第谷的数据资料进行系统的 分析和整理 最终在 1609 年和 1619 年发表了行星运动的开普勒三定律 五 行星运动定律五 行星运动定律 1 1 开普勒第一定律 椭圆轨道定律 开普勒第一定律 椭圆轨道定律 所有行星绕太阳运动的轨道都是椭圆 太阳处在椭圆的一个交点上 注意注意 不同行星绕太阳运动的椭圆轨道是不同的 2 2 开普勒第二定律 面积定律 开普勒第二定律 面积定律 对任意一个行星来说 它与太阳的连线在相等的时间内扫过相等的面积 注意注意 由此可见 行星近日点的线速度大于远日点的线速度 进一步来说 近日点 的动能大于远日点的动能 用心 爱心 专心6 3 3 开普勒第三定律 周期定律 开普勒第三定律 周期定律 所有行星的轨道的半长轴的三次方跟它的公转周期的二次方的比值都相等 数学表达 式为 其中 a 是椭圆轨道的半长轴 T 是公转周期 对于开普勒三定律 我们要知道 虽然它是描述行星绕太阳运转 也适用于卫星绕地 球旋转 或者别的星体运行 只是 不