地心说托勒密.ppt

近代天文学,课件制作:白思胜授课人：白思胜,第2讲、近代天文学,1、哥白尼的日心说,2、开普勒三定律和波德定则,3、星云假说,4、天体系统,1、哥白尼的日心说,托勒密的“地心说”托勒密（约85168）是生活在罗马人统治下的亚历山大城的科学家。他是古希腊天文学的继承者和集大成者。他在喜帕克地心说的“本轮均轮”宇宙模型基础上增加圆形轨道，构建了一个共有80个本轮和均轮的复杂的模型。托勒密的这个体系中的神学观点被宗教界利用，因而被西方天文学界采用了一千多年，直到近代哥白尼提出“日心说”，它才被取代；托勒密一生写了一部十三卷的巨著天文学大成，系统地阐述了地心说的观点。,基本观点：,宇宙有“九重天”。至下而上，月亮天为最低的一重天，其余依次为：水星天、金星天、太阳天、火星天、木星天、土星天和恒星天，还有最高的第九重天，是神灵居住的天堂，叫做“原动天”。日、月和水、金、火、木、土五行星，都按各自的轨道绕地球旋转。,行星在本轮上匀速运行；而本轮中心在均轮上非匀速的运行。正圆运动是天体最完美的运动。,地球在宇宙中心静止不动。存在的问题：在托勒密的地心说看来，地球处于宇宙的中心，静止不动，这是它的致命弱点。其次，本轮是不存在的。为了解释行星的视运动与弥合天文观测的差距，托勒密通过本轮均轮体系，以使地球中心体系符合观察到的星体运动路径。再次，所有的天体围绕地球转，日复一周，是不可能的。,哥白尼的“日心说”,波兰天文学家哥白尼（14731543）在1543年发表的不朽著作天体运行论中阐述了日心说观点，其要点是：地球是行星。地球并非静止不动的天体,也不在宇宙的中心。它是一颗普通的行星,既有自转,又围绕太阳旋转。月亮是卫星。月亮绕地球旋转，并且和地球一起绕太阳旋转。,太阳是恒星，处于宇宙的中心，静止不动。行星在各自的圆形轨道上围绕太阳旋转，它们的轨道大致处在同一平面上，它们公转方向也是一致的。,对行星视运动的解释：按照哥白尼的体系，地球和其他行星全都围绕太阳旋转，这是他们的真实的运动，或者叫真运动。只是有的行星比地球更接近太阳，我们把它称为内行星，运动得更快一点。有的离得更远一点，我们把它称为外行星，速度更慢一点。行星在天上的绕圈运动，是从运动的地球上去看同样是绕太阳运动的行星而产生的一种视觉效果。这叫视运动。实际上它们并不在绕圈。,譬如，有两列并排行驶的火车，甲火车一直用一个恒定的速度在走，乙火车因为出现了一些故障，速度愈来愈慢。这时候，从乙火车的司机来看，好象甲火车愈开愈快了（显然，当他这样看的时候，他是用远方的目标来作比较的）。后来，乙火车排除了故障，加快速度赶了上来，这时候，从乙火车的司机看，又好象甲火车愈开愈慢，最后干脆“停”了下来！当乙火车以更高的速度行驶的时候，甲火车竟然开起“倒”车，朝后“退”了！很明显，甲火车的这种运动只是它对乙火车的“视运动”。行星的视运动也是类似的。,地外行星的视运动：图2-4是从地球上看外行星木星的运动情况。在位置“1”，地球、太阳、木星在同一直线上，从地球上看，木星和太阳在同一位置，天文上叫做“合”。这时候，木星是看不见的。因为地球的运动速度比木星快，所以，合以后不久，木星在天上由西向东移动的速度愈来愈慢。当地球到了“2”的时候，木星不动了，天文上叫做“留”。接着，木星开始由东向西逆行。在位置“3”时，地球、木星、太阳又在一直线上，但位置排列和“合”不同，这时木星和地球距离最近，称为“冲”。在地球运动到位置“4”的时候，木星停止逆行，开始向东顺行。到了位置“5”，地球、太阳、木星又在一直线上，重复“1”的情景。这段时间内，木星在恒星中间画了一条S形的曲线。,地内行星的视运动：内行星的情况基本上和外行星相似（图2-5）。不同的只是它们没有冲，而代之以另一个合，叫做下合（图2-5位置“4”）。这时候，它们距地球最近。从图2-5还可以看出，内行星总是在太阳附近摆动，不会超过一个最大的角度。不难理解，这个最大角距等于它们绕太阳运动轨道的半长轴在地球上的张角（见图5位置“2”或“6”）。对于水星，这个角度为28，金星是48。所以，金星或水星，只能作为晨星见于东方，或者作为昏星而见于西方。,意义哥白尼日心说的发表，引起了一场重大的宇宙观革命。日心学说证明了地球只不过是绕太阳运转的普通的行星，改变了它作为上帝安排在宇宙中心的特殊地位。日心说的发表是近代科学革命的首要标志，它推翻了一千多年来占统治地位的、在中世纪被基督教神学教条化了的托勒密地心说宇宙观，描绘了一幅关于太阳系的科学图景，为近代天文学奠定了基础。尤其重要的是，这一学说宣告了神学宇宙观的破产，开始了自然科学从神学中解放出来的运动。,哥白尼学说发表后，随后的百余年间并未得到天文学家的公认。天文学家们在对两个体系进行争论、选择的同时，对行星运动进行了不懈的观察，特别是丹麦天文学家第谷布拉赫（15461601）用毕生的精力积累了许多精确的行星运动的观测资料。第谷死后，德国天文学家开普勒（15711630）继续进行观测。值得称道的是，他充分利用了第谷布拉赫留下的大量精确的天文观测资料，改进了哥白尼的学说，确立了行星运行三定律，为天体力学提供了坚实的基础，获得了“天空的立法者”的美誉。,2、开普勒三定律和波德定则,轨道定律：行星的运动轨道不是传统认为的正圆形，是椭圆形；而太阳处于椭圆焦点之一的位置上(图1）。,以地球为例，地球轨道是一个椭圆，太阳位于椭圆的两焦点之一。地球公转的周期为回归年。长度是365.2422日。太阳与地球的平均距离是1.49亿千米。由于地球运行轨道是个椭圆，所以地球在最接近太阳时的位置，称近日点。二者的距离约为1.47亿千米；地球在最远离太阳时的位置，称远日点，其距离约为1.52千米。地球的平均角速度为每日598，线速度为29.8千米每秒；地球公转在近日点的速度最大，分别是1l11或30.3千米每秒,快于平均速度；在远日点的公转速度最小,相应为5711或29.3千米每秒，慢于平均速度。一年间地球公转速度的快慢不同，使春分到秋分的夏半年有186天多，从秋分到春分的冬半年约179天。二者相差约一周。,面积定律：行星和太阳连线扫过的面积与时间成正比。还可以表述为，相等时间间隔内，行星和太阳的连线任何地点沿轨道所扫过的面积相等（图2）。,周期定律：行星公转周期(T)的平方等于轨道半长轴(R)的立方（表1）：T2=KR3。,表1周期定律验证表,波德定则,1772年，德国天文学家波德（17471826）发现太阳系各行星距太阳的平均距离服从：0.4,0.4+0.3,0.4+0.32，0.4+0.322,0.4+0.323等，即An=0.4+0.32n天文单位（1天文单位等于太阳与地球之间的平均距离）这样一种数学关系，其中水星、金星、地球、火星、木星、土星距太阳的平均距离，在上式中的n分别取为：-，0，l，2，4，5。这条定则被称为波德定则。,1781年赫歇耳发现天王星后，人们算出天王星的n=6，这更加证明了波德定律的可靠性。但在n=3的天区人们没有观测到什么天体。这个问题激起了许多天文学家的兴趣。1801年，德国天文学家皮阿杰（17461826）首先在这块天区观测到第一颗小行星（谷神星），以后人们陆续发现了许多小行星，到19世纪末，发现的小行星数目达到400颗以上。,3、星云假说,宇宙间一切事物都有它发生、发展和消亡的过程，地球也是如此。作为太阳系的一员，地球的起源问题实际上是太阳系的起源问题，这一问题直到科学发展到一定程度才有了较为合理的解释，但仍只是一些推测和假设，还没有确切的答案。在波兰天文学家哥白尼提出日心说后的200多年间，有30多种主要假说来说明太阳系的起源，其中最有代表性的是康德拉普拉斯的星云假说。1755年，德国哲学家康德发表了宇宙发展史概论一书，认为太阳和它的行星都是同时由一个旋转着的星云形成的。1796年，法国科学家拉普拉斯也发表了类似的学说。这一学说第一次科学地解释了太阳系的形成。,基本观点：形成太阳系的原始物质是由气体集聚而成的缓慢旋转着的气团，这种弥漫物质状的炽热气团叫做星云。星云在重力作用下逐渐收缩，体积变小，而旋转速度则不断加快，同时离心力也随着增强，于是星云越来越扁，最后变成了圆盘形。当星云进一步向中间收缩时，外围的气体脱离了星云体，成为绕着中心旋转的气体环。这种分离过程不断重演，逐渐产生好几个气体环，最后留在中间的星云收缩形成一个密度大的星体，这就是太阳。分离出来的各个气体环里质点相互吸引使气环破裂凝聚而成为圆球体，这就是行星，并在原有气环的位置绕太阳公转，地球就是这样的一个行星。,4、天体系统,宇宙间的天体都在运动着。运动着的天体因互相吸引和互相绕转，而形成天体系统。天体系统有不同的级别。地球和其它行星围绕太阳公转，它们和太阳构成高一级的天体系统。这个以太阳为中心的天体系统，成为太阳系。太阳系又是更高一级天体系统银河系的极微小部分。,4.1地球和太阳系(1)太阳系：太阳系包括8个大行星，68个卫星，和至少50万个小行星，还有少数彗星。8个大行星中，距太阳最远的海王星，约为30个天文单位。如果以海王星轨道作为太阳系的边界，则太阳系直径为60个天文单位，即约90108km。如果把彗星轨道计算在内，则太阳系直径将达到68104个天文单位，即91012121012km。8个大行星按其物理性质可以分为两组。水星、金星、地球（1）和火星（2），体积小而平均密度大，自转速度慢，卫星数少，称为地组行星：木星（17）、土星（23）、天王星（15）、海王星（10），体积大，平均密度小，自转速度快，卫星数多，叫做木组行星。,行星及其卫星绕太阳运动具有的共同特征:所有行星的轨道偏心率都很小，几乎都接近圆形（近圆性）；各行星轨道面都近似地位于一个平面上（最大7度，近面性）；所有行星都自西向东绕太阳公转，即与公转方向相同（同向性）；绝大多数卫星的轨道都近似圆形，其轨道面与母星赤道面也较接近；绝大多数卫星，包括土星环在内，公转方向均与母星公转方向相同。,地球公转的标志星系更替黄道是太阳周年视运动的轨迹。黄道南北各8区域内是月球及五大行星在天球上运行的范围，所以，人们把黄道南北各8宽的带称为黄道带。从春分点起，把黄道带分为12等分，称作黄道十二宫，每宫占30，并以本宫所在的星座来命名。这样视太阳每年3月21日在双鱼座附近穿过春分点。每季太阳所在的星座如表2-3所示。由于太阳耀眼的光芒，所以在白天看不到太阳所在的星座，只有在夜间才能看到同太阳相对的星座。例如春季开始时，在夜晚可见到室女座，而在春季中间时，可见天秤座。依次类推，这样也能间接反映出太阳的视运动（图3-5）。,表2-3不同季节太阳所在的星座,4.3太阳和银河系（1）太阳概况：太阳是一个炽热的发光球，它的内部不断进行着巨大的热核反应。太阳表面温度高达6000K，中心温度更高达1500104度。在已知宇宙中，太阳是一个中等大小的恒星，直径约为140104km，相当于地球直径的109倍；表面积约为地球的12000倍；体积约为地球的130104倍；质量约1.9861033克，相当于地球的33.34万倍；并且占整个太阳系质量的99.86%。它的外层可见部分的密度约为水密度的11000000，中心部分的密度比水的密度大85倍，而平均密度则为1.41gcm3，约相当于地球密度的14。太阳带领太阳系家族围绕银核旋转。,（2）银河系：由无数恒星和星际物质（星际气体和星际尘埃）构成的巨大集体，称为星系。银河系就是这样的一个星系。人们在晴朗夜晚仰望天空所见到的一条贯穿长空淡淡发光的白色练带就是银河系。古人把它看成是天上的河流，形象地称之为银河。银河系包括1000亿2000亿颗恒星和大量星际物质，总质量是太阳质量的1400亿倍，其中90以上是恒星的质量。银河系的形态如同铁饼状的，圆盘体，中部较厚而四周较薄。银河系的直径为10万光年，中部称为核球，厚度约1.3万光年；核球的四周叫银盘，厚度约3000光年6000光年（图3-6）。,银河系是一个旋涡