自然科学概要（第二版）（微课版）课件 第3章 近代天文学及其发展

1开普勒定律及波德定则CONTENTS第3章近代天文学及其发展2天体系统3.1课程标准

1.知识目标

了解第谷、开普勒、提丢斯、波德、赫歇尔、皮亚杰的简介；

理解并掌握开普勒的三个定律。

理解波德定则的意义。2.能力目标具备批判性思维的初步能力。3.素质能力

弘扬科学家精神，博学德清，鼎新致用。

第一节开普勒定律和波德定则开普勒定律一、开普勒三定律1.第谷的心愿

第谷(1546—1601)是丹麦天文学家。1563年观察木星和土星接近时，这两颗星接近的时间比预计相差了一个月，于是立志要制作一幅有1000颗星的星图。在完成了750颗星的观测记录后，感觉身体不适，想找一个徒弟继承自己的事业，完成1000颗星的星图。1600年第谷与开普勒相遇，并邀请他作为自己的助手。次年第谷逝世。开普勒接替了他的工作，完成了他的心愿。第谷(1546—1601)

2.理论与数据的8′误差

开普勒(1571—1630)是一位德国天文学家和数学家。

在整理第谷遗留下的大量资料时发现，第谷对火星运动的观测值与由哥白尼学说推算出来的数值有约为0.133°，即约8′误差。

开普勒坚信第谷观测值的可靠性，怀疑“日心说”的圆形轨道有问题。

他试着用椭圆轨道代替圆形轨道，这样推算出的火星轨道位置与第谷观测值基本吻合。开普勒(1571—1630)

3.开普勒定律

（1）轨道定律

对火星的轨道来说，第谷发现椭圆形完全适合这里的要求，模型和观测值基本吻合。

于是得出了“开普勒第一定律”：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。

轨道定律把“日心说”中的圆形轨道修正为椭圆形轨道。椭圆轨道示意图

（2）面积定律

开普勒研究椭圆轨道，发现火星运行速度是不均匀的，当它离太阳较近时运动得较快（近日点），离太阳远时运动得较慢（远日点），但从任何一点开始，行星和太阳连线扫过的面积与时间成正比。

这也可以表述为，相等时间间隔内，行星和太阳的连线在任何地点沿轨道所扫过的面积相等。

这就是开普勒第二定律（面积定律）。面积定律把“日心说”中的匀速运动修正为变速运动。地球一年间公转速度的快慢不同，从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。面积定律示意图

（3）周期定律

开普勒确信行星运动周期与它们轨道大小之间应该是“和谐”的。当时人们不知道行星与太阳之间的实际距离，只知道它们距太阳的相对远近。开普勒以日地平均距离为1个天文单位；以地球绕太阳运动周期为1年。把各个行星的公转周期（T）及它们与太阳的平均距离（R）排列成一个表，以探讨它们之间的数量关系。

经过10年的艰苦研究，发现了行星运动的第三定律，即周期定律：

行星公转周期(T)的平方等于轨道半长轴(R)的立方：

T2=KR3。周期定律数据链星名公转周期轨道直径周期平方半径立方水星0.2410.3870.0580.058金星0.6150.7230.3780.376地球1.0001.0001.0001.000火星1.8811.5243.543.54小行星

2.8

木星11.8625.203140.7140.8土星29.4589.539867.7867.9

4.鲁道夫星表

1597年，第谷应德国国王鲁道夫二世之邀，离开丹麦前往德国，在布拉格定居，认识了开普勒，建立了新的天文台。

开普勒晚年没有辜负第谷的嘱托，致力于完成1000颗星《鲁道夫星表》的编制。

星表在1627年印制，这是天文史上值得称赞的一部星表，它的完备和准确度远胜过前人。由此表可以知道各行星的位置，其精确程度是空前的。这是开普勒当时最受人钦佩的功绩。鲁道夫星图（局部）

5.意义

首先，开普勒定律在科学思想上表现出无比勇敢的创造精神。对天体遵循完美的均匀运动、圆形轨道（柏拉图原理）这一观念，从未有人敢怀疑，开普勒毅然否定了它，这是非常大胆的创见。

其次，开普勒定律彻底摧毁了托勒密的本轮—均轮系统，把哥白尼体系从本轮的桎梏下解放出来，为它带来充分的完整和严谨。

第三，开普勒定律使人们对行星运动的认识得到清晰概念。行星公转周期决定于各个行星与太阳的距离，与质量无关。1630年11月15日，开普勒因贫病交困而死去。开普勒为科学事业献身的精神值得后人称颂。

二、波德定则1.数学游戏1766年，德国中学教师提丢斯(1729—1796)在比较了太阳系各行星轨道后发现取0、3、6、12、24、48......这样一组数列，每个数字加上4再除以10，就是各个行星到太阳距离的近似值（天文单位）。他把这个发现寄给了德国柏林天文台的台长波德。

水星的距离为（0+4）/10=0.4

金星的距离为（3+4）/10=0.7

地球的距离为（6+4）/10=1.0

火星的距离为（12+4）/10=1.6波德（1747-1826）1772年德国的波德公开发表所总结的一组数列公式，各行星距太阳的平均距离服从：0.4+0.3×2-∞

；0.4+0.3×20,0.4+0.3×21；0.4+0.3×22,0.4+0.3×23等。

即

An=0.4+0.3×2n天文单位n分别取为：-∞，0，1，2，3，4，5…，波德定则支撑表太阳系各行星到太阳的距离

2.小行星带

1781年，英国天文学赫歇尔（1738—1822）在无意中发现了太阳系的第七大行星——天王星。

使人惊讶的是，天王星与太阳的平均距离是（18.37~20.08）天文单位。（波德公式：n=6，19.6天文单位）。1801年，从位于意大利西西里岛的的天文台传出消息，此台台长皮阿杰（1746～1826）在进行常规观测时发现了一颗新天体，它的距离是2.77天文单位，与2.8极为近似。它被命名为谷神星。

可是它的个子太小了，直径大约950公里。

陆续地，在火星和木星轨道之间又发现了其他的行星，但个子也都不大。后来人们在这里发现了成千上万颗小行星，知道这就是所谓的小行星带。皮阿杰（1746～1826）在进行常规观测时发现了一颗新天体皮阿杰在n=3的轨道上发现了谷神星思考与练习1.第谷因何原因导致成为天文学家？

2.开普勒发现的三个定律是什么？3.波德定则有何意义？4.开普勒是如何发现轨道和面积定律的？1开普勒定律及波德定则CONTENTS第3章近代天文学及其发展2天体系统3.2课程标准

1.知识目标了解天体系统、月相的概念。

理解月球绕地球转的标志（难点）；地球绕太阳转的标志（难点）；

了解月球、地球、太阳的概况。2.能力目标具备系统分析问题的初步能力。3.素质目标培育宏观意识，大局意识，自觉按规律办事。

一、地月系及公转标志

1.地月系

由于地球的质量比月球大得多，地球与月球相互吸引的结果，使得月球不停地围绕地球公转，在宇宙中形成一个很小的天体系统——地月系。

月球的轨道是椭圆，近地点月球距地球为363300km，远地点为405500km，平均约为384400km。月球绕地球公转一周的时间为27.32日（恒星月），月球自转一周的时间也是27.32日；其运转的方向与公转相同，都是自西向东。地月系

2.公转标志——月相变化

月相的变化

1.太阳系

截至2019年10月，太阳系包括太阳、8个行星、200多个卫星和至少50万个小行星，还有矮行星和少量彗星。若以海王星作为太阳系边界，则太阳系直径为60个天文单位，即约90亿千米。太阳系中行星及其卫星绕太阳的运动，具有以下共同特征，即:

（1）近圆形：所有行星的轨道偏心率都很小，几乎都接近圆形；

（2）共面性：各行星轨道面都近似地位于一个平面上，对地球轨道面即黄道面的倾斜也都不大；

（3）同向性：所有行星都自西向东绕太阳公转。

二、太阳系及公转标志太阳系示意图

3.地球公转的标志——星座更替

黄道是太阳周年视运动的轨迹。

从春分点起，把黄道带分为12等分，称为黄道十二宫，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。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。

这样也能间接反映出太阳的视运动。黄道十二宫示意图

1.银河系

由无数恒星和星际物质构成的巨大集体，称为星系。

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链带就是银河系。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。

三、银河系及公转标志星系示意图

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；核球的四周称为银盘，厚度约3000～6000光年。

银河系俯视图银河系是一个旋涡星系，整个星系都环绕着银河系中心旋转，圆盘体就是在旋转中形成的。在旋转中银盘形成一些旋臂，旋臂各部分的旋转速度和周期因与银心的距离不同而有很大差异。银河系示意图2.太阳公转的标志——大冰期的周期

太阳正以每秒220公里的速度携带者地球等众行星在银河系中公转，旋转一圈大约需要2.5亿年。

在地球地质时期总共经历了三次大冰期，分别是距今5.7亿年前的震旦纪大冰期、距今2.5亿年前的石炭二叠纪大冰期和距今200万年前开始的第四纪大冰期。有人认为大冰期的形成与太阳离银心的远近相关。

太阳系公转示意图

庞大的银河系在宇宙中只占很小的部分。目前，能观测到的类似银河系的星系约有10亿个，现已被发现的距地球最远的星系约距离150亿光年。

除银河系外，所有的星系总称为河外星系。人们把目前所认识到的宇宙部分，包括已观测到的所有星系，称为总星系。

四、星云假说1755年，德国哲学家康德（1724—1804）出版了《宇宙发展史概论》；

1796年，法国科学家拉普拉斯（1749－1827）出版了《宇宙体系论》，都认为太阳系是由星云形成的。人们称之为康德—拉普拉斯星云假说。

康德—拉普拉斯星云假说表达了一种新的科学思想，即宇宙中的天体不是一成不变的，而是演化而来的。康德拉普拉斯

这个学说认为：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