《清華大學(xué)物理學(xué)課件從哥白尼到開普勒》由會員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《清華大學(xué)物理學(xué)課件從哥白尼到開普勒（27頁珍藏版）》請在裝配圖網(wǎng)上搜索。

1、 從哥白尼到開普勒從哥白尼到開普勒近代科學(xué)的誕生從天文學(xué)的突破開始近代科學(xué)的誕生從天文學(xué)的突破開始 德國哲學(xué)家康德說：有兩樣?xùn)|西，我們越是持德國哲學(xué)家康德說：有兩樣?xùn)|西，我們越是持久和深沉地思考著，就越有新奇和強烈的贊嘆與久和深沉地思考著，就越有新奇和強烈的贊嘆與敬畏充溢我們的心靈，這就是我們敬畏充溢我們的心靈，這就是我們頭頂?shù)男强蘸皖^頂?shù)男强蘸臀覀儍?nèi)心的道德律。我們內(nèi)心的道德律。對天空的向往對天空的向往 北宋詞人辛棄疾北宋詞人辛棄疾:可憐今夕月可憐今夕月,向何處向何處,去悠悠去悠悠?是是別有人間別有人間,那邊才見那邊才見,光影東頭光影東頭?是天外是天外,空汗漫空汗漫,但長但長風(fēng)浩浩送中秋風(fēng)浩

2、浩送中秋?飛鏡無根誰系？嫦娥不嫁誰留飛鏡無根誰系？嫦娥不嫁誰留?1.1.古埃及的宇宙結(jié)構(gòu)古埃及的宇宙結(jié)構(gòu) 恒星是鑲嵌在俯趴于地恒星是鑲嵌在俯趴于地球上方的女神身上，天空是球上方的女神身上，天空是天神天神Nut，大地是地神，大地是地神Geb,天神和地神白天是分開的，天神和地神白天是分開的，一直到晚上才重聚。一直到晚上才重聚。一、古代天西方文學(xué)發(fā)展歷程一、古代天西方文學(xué)發(fā)展歷程基督徒的創(chuàng)世記 起初上帝創(chuàng)造天地，在起初上帝創(chuàng)造天地，在六個晨昏，分別造光分晝六個晨昏，分別造光分晝夜、造空氣分天地、植物、夜、造空氣分天地、植物、日月星辰、魚和鳥、畜類，日月星辰、魚和鳥、畜類，并照著自己的形像和樣式并照著

3、自己的形像和樣式造人；天地萬物都造齊后，造人；天地萬物都造齊后，上帝賜福安息的第七日為上帝賜福安息的第七日為“圣日圣日”。3.3.亞里士多德亞里士多德“水晶球水晶球”模型模型 亞里士多德亞里士多德“地心說地心說”：地球是宇宙中心地球是宇宙中心,絕對靜止不動的絕對靜止不動的;由由5555個水晶球組成；個水晶球組成；天體的運動由神力驅(qū)使天體的運動由神力驅(qū)使;“水晶球水晶球”模型模型Ptolemy(約約85-約約165)公元公元140年托勒密在總結(jié)年托勒密在總結(jié)前人工作的基礎(chǔ)上系統(tǒng)地確立前人工作的基礎(chǔ)上系統(tǒng)地確立了了地心說地心說。認為：。認為：大地為球形，且居于宇宙大地為球形，且居于宇宙中心，靜止不

4、動，其他天體都中心，靜止不動，其他天體都繞著地球轉(zhuǎn)動。繞著地球轉(zhuǎn)動。4.4.托勒密托勒密“地心說地心說”體系體系 托勒密是托勒密是公元公元2世紀古希臘天文學(xué)家、地理世紀古希臘天文學(xué)家、地理學(xué)家、數(shù)學(xué)家，著有學(xué)家、數(shù)學(xué)家，著有天文學(xué)大成天文學(xué)大成、地理地理學(xué)學(xué)。宇宙有宇宙有“九重天九重天”，有九，有九個運轉(zhuǎn)著的同心的晶瑩球殼。個運轉(zhuǎn)著的同心的晶瑩球殼。第一到第三重天第一到第三重天月亮天、月亮天、水星天和金星天；水星天和金星天；太陽居于第四重天球上，太陽居于第四重天球上，它是宇宙的主宰，以巨大的它是宇宙的主宰，以巨大的光輝照亮宇宙；光輝照亮宇宙；第五到第七重天火星天、第五到第七重天火星天、木星天和

5、土星天；木星天和土星天；恒星天：全部恒星象寶石一般鑲嵌在這層天上；恒星天：全部恒星象寶石一般鑲嵌在這層天上；最高天：即最高天：即“原動天原動天”，那里是神靈居住的天堂。，那里是神靈居住的天堂。托勒密把每個行星的運動描述成沿一個本輪托勒密把每個行星的運動描述成沿一個本輪小圓回轉(zhuǎn)，本輪中心又繞一個以地球為中心的均小圓回轉(zhuǎn)，本輪中心又繞一個以地球為中心的均輪運行。輪運行。托勒密天體機械模型托勒密天體機械模型這樣這樣“地心說地心說”從表觀上解釋了日月星從表觀上解釋了日月星辰每天東升西落、周而復(fù)始的現(xiàn)象，同時也符辰每天東升西落、周而復(fù)始的現(xiàn)象，同時也符合上帝創(chuàng)造人類、地球必然在宇宙中居有至高合上帝創(chuàng)造人

6、類、地球必然在宇宙中居有至高無上地位的宗教教義，對人們的思想和科學(xué)發(fā)無上地位的宗教教義，對人們的思想和科學(xué)發(fā)展的禁錮達千年之久。展的禁錮達千年之久。于是一場科學(xué)革命必須于是一場科學(xué)革命必須也只能從這矛盾最尖銳的地方發(fā)生。也只能從這矛盾最尖銳的地方發(fā)生。二、向地心說挑戰(zhàn)二、向地心說挑戰(zhàn)哥白尼創(chuàng)立日心說哥白尼創(chuàng)立日心說Copernicus（1473-1543）1.1.哥白尼生平簡介哥白尼生平簡介哥白尼哥白尼是波蘭人的后裔，出生在靠近波蘭國界是波蘭人的后裔，出生在靠近波蘭國界的普魯士的托恩的普魯士的托恩（Thorn）。）。早年在波蘭克拉科夫大學(xué)學(xué)早年在波蘭克拉科夫大學(xué)學(xué)習(xí)天文學(xué)，后到意大利學(xué)習(xí)基督習(xí)

7、天文學(xué)，后到意大利學(xué)習(xí)基督教義、醫(yī)學(xué)與法學(xué)。教義、醫(yī)學(xué)與法學(xué)。年年回波蘭后，回波蘭后，從事三重職業(yè)達十三從事三重職業(yè)達十三年之久：履行教會職務(wù)、行醫(yī)和年之久：履行教會職務(wù)、行醫(yī)和研究天文學(xué)。研究天文學(xué)。2.2.哥白尼的基本觀點哥白尼的基本觀點（1 1）太陽是宇宙的中心）太陽是宇宙的中心,行行星圍繞著太陽運轉(zhuǎn)；星圍繞著太陽運轉(zhuǎn)；（2 2）地球作為一顆行星繞著）地球作為一顆行星繞著太陽運轉(zhuǎn)太陽運轉(zhuǎn),它本身還在自轉(zhuǎn)；它本身還在自轉(zhuǎn)；（3 3）月亮是地球的衛(wèi)星）月亮是地球的衛(wèi)星,地地球帶著月亮一起繞太陽運轉(zhuǎn)；球帶著月亮一起繞太陽運轉(zhuǎn)；（4 4）恒星在遠離太陽的一個）恒星在遠離太陽的一個天球面上靜止不動

8、。天球面上靜止不動。3.3.日心說提出的科學(xué)、歷史和哲學(xué)根源日心說提出的科學(xué)、歷史和哲學(xué)根源科學(xué)根源：科學(xué)根源：托勒密模型的預(yù)告有時很不準確，并且托勒密模型的預(yù)告有時很不準確，并且隨著天隨著天文學(xué)觀察數(shù)據(jù)越來越多，為了給予解釋，托勒密的文學(xué)觀察數(shù)據(jù)越來越多，為了給予解釋，托勒密的地心說不斷修補，越來越復(fù)雜，難以使人信服。地心說不斷修補，越來越復(fù)雜，難以使人信服。歷史根源：歷史根源：哥白尼在意大利留學(xué)十年中，開闊了眼界，閱哥白尼在意大利留學(xué)十年中，開闊了眼界，閱讀了大量天文學(xué)書籍，受到文藝復(fù)興運動影響，思讀了大量天文學(xué)書籍，受到文藝復(fù)興運動影響，思想解放，投身科學(xué)革命。想解放，投身科學(xué)革命。贊成

9、贊成畢達哥拉斯學(xué)派畢達哥拉斯學(xué)派“宇宙是和諧的，可以宇宙是和諧的，可以由簡單的數(shù)學(xué)由簡單的數(shù)學(xué)關(guān)系來表達宇宙規(guī)律關(guān)系來表達宇宙規(guī)律”?！疤栐谟钪嬲凶谄鋵氉咸栐谟钪嬲凶谄鋵氉?在這壯麗在這壯麗的神殿里，有誰能將這發(fā)光體放在一個更好地的的神殿里，有誰能將這發(fā)光體放在一個更好地的位置上以讓它同時普照全宇宙？位置上以讓它同時普照全宇宙？”柏拉圖高度贊美太陽，給予太陽柏拉圖高度贊美太陽，給予太陽“宇宙正中宇宙正中”的位置。的位置。哲學(xué)根源：哲學(xué)根源：4.對火星逆行的解釋對火星逆行的解釋是哥白尼理論的一個勝利是哥白尼理論的一個勝利 托勒密的行星軌跡托勒密的行星軌跡5.布魯諾的殉難是哥白尼日

10、心說經(jīng)受的第一次考驗布魯諾的殉難是哥白尼日心說經(jīng)受的第一次考驗Bruno（1548-1600）論無限、宇宙及世界論無限、宇宙及世界宣揚：宣揚：1.1.宇宙沒有中心，且在空宇宙沒有中心，且在空間上是無限的；間上是無限的；2.2.宇宙在時間上是永恒的，宇宙在時間上是永恒的，其中存在其中存在“世界世界”的產(chǎn)生和消亡的產(chǎn)生和消亡;3.3.宇宙萬物處在變化之中，宇宙萬物處在變化之中，但都由但都由“物質(zhì)物質(zhì)”組成組成.在真理面前我半步也不會退讓在真理面前我半步也不會退讓三、開普勒行星三定律三、開普勒行星三定律1.1.第谷第谷布拉赫的貢獻布拉赫的貢獻 丹麥天文學(xué)家第谷，靠自己設(shè)丹麥天文學(xué)家第谷，靠自己設(shè)計的

11、天文儀器，把天文觀測的精度計的天文儀器，把天文觀測的精度提高到了提高到了1，相當(dāng)于滿月直徑視角，相當(dāng)于滿月直徑視角的的1/30。積累了大量太陽、月亮和。積累了大量太陽、月亮和其他行星運動的精確數(shù)據(jù)，提出：其他行星運動的精確數(shù)據(jù)，提出：“日心說和地心說都有缺陷日心說和地心說都有缺陷”TychoBrahe(1546-1601)第谷在天文臺工作第谷在天文臺工作第谷用過的望遠鏡第谷用過的望遠鏡2.2.開普勒開普勒 開普勒從第谷開普勒從第谷處獲得了大量精確處獲得了大量精確的天文學(xué)數(shù)據(jù)的天文學(xué)數(shù)據(jù).1609 160916191619年，年，他先后提出了行星他先后提出了行星運動三定律。運動三定律。Keple

12、r（1571-1630）3.3.開普勒行星三定律開普勒行星三定律（1 1）橢圓定律：）橢圓定律：每個行星的軌道是一個橢圓，太陽位于一個每個行星的軌道是一個橢圓，太陽位于一個焦點上焦點上;開普勒第一定律開普勒第一定律開普勒第二定律開普勒第二定律（2 2）等面積定律：）等面積定律：在行星與太陽間作一條直線，則此直線在行星在行星與太陽間作一條直線，則此直線在行星運動的過程中，在相同的時間內(nèi)掃過的面積相等運動的過程中，在相同的時間內(nèi)掃過的面積相等;32kRT（3 3）和諧定律：）和諧定律：行星運動周期行星運動周期T T 的平方正比于行星與太陽的平方正比于行星與太陽平均距離平均距離R 的三次方，記為：的

13、三次方，記為：通常我們把地球與太陽的平均距離通常我們把地球與太陽的平均距離-日地日地距離距離-作為一個天文距離單位，記為作為一個天文距離單位，記為AU 1AU=m周期周期以年為單位，則比例常數(shù)以年為單位，則比例常數(shù)k k的值為的值為11105.1例：例：已知火星離太陽的平均距離為已知火星離太陽的平均距離為R=1.5AU,求：火星繞太陽運行的周期求：火星繞太陽運行的周期解解:由開普勒第三定律由開普勒第三定律 有有:32kRT8.1)5.11()(2/132/13 kRTy故火星繞太陽運行的周期故火星繞太陽運行的周期為為1.8年年.水水 星星 金金 星星 地地 球球 火火 星星 木木 星星 土土

14、星星 T 0.241 0.615 1 1.881 11.862 29.457 R 0387 0.723 1 1.524 5.203 9.539 T2 0.0580.37813.54140.7867.7R3 0.057960.377913.54140.85867.8532kRT 開普勒已經(jīng)認識到：他的定律強烈地暗示了太開普勒已經(jīng)認識到：他的定律強烈地暗示了太陽對行星有一種吸引力，這個力隨距離之增大而減陽對行星有一種吸引力，這個力隨距離之增大而減弱。這樣才能理解例如為什么水星（離太陽最近）弱。這樣才能理解例如為什么水星（離太陽最近）的運動速度比金星的快，因而周期最短的事實。但的運動速度比金星的快，

15、因而周期最短的事實。但這是什么樣的力呢？開普勒還想不出來，揭示這一這是什么樣的力呢？開普勒還想不出來，揭示這一自然奧秘的任務(wù)是后來牛頓完成的，但開普勒的理自然奧秘的任務(wù)是后來牛頓完成的，但開普勒的理論為牛頓經(jīng)典力學(xué)的建立提供了重要基礎(chǔ)。論為牛頓經(jīng)典力學(xué)的建立提供了重要基礎(chǔ)。從開普勒起，天文學(xué)真正成為一門精確科學(xué)，從開普勒起，天文學(xué)真正成為一門精確科學(xué)，成為近代科學(xué)的開路先鋒。成為近代科學(xué)的開路先鋒。埃拉托色尼測量地球圓周長埃拉托色尼測量地球圓周長 公元前公元前3世紀埃及世紀埃及人人Eratosthenes在在“阿阿斯旺斯旺”小鎮(zhèn)發(fā)現(xiàn)夏至小鎮(zhèn)發(fā)現(xiàn)夏至日正午的陽光懸在頭日正午的陽光懸在頭頂頂:物體

16、沒有影子，陽物體沒有影子，陽光直接射入深水井中。光直接射入深水井中。在以后幾年里的同一在以后幾年里的同一天、同一時間，他在亞歷天、同一時間，他在亞歷山大測量了同一地點的物山大測量了同一地點的物體的影子。他發(fā)現(xiàn)太陽光體的影子。他發(fā)現(xiàn)太陽光線有輕微的傾斜，在垂直線有輕微的傾斜，在垂直方向偏離大約方向偏離大約7.2度角。度角?！鞍⑺雇⑺雇毙℃?zhèn)和亞歷山小鎮(zhèn)和亞歷山大的距離是當(dāng)時大的距離是當(dāng)時5000個希個希臘運動場的周長，而地球臘運動場的周長，而地球的圓周為的圓周為360度，如果兩座度，如果兩座城市成城市成7.2度角，就是度角，就是7.2/360的圓周，就因此地的圓周，就因此地球周長就是球周長就是(360/7.2)5000=25萬個希萬個希臘運動場的周長。臘運動場的周長。鏈接鏈接