清華大學(xué)物理學(xué)課件--從哥白尼到開(kāi)普勒

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1、 從 哥 白 尼 到 開(kāi) 普 勒近 代 科 學(xué) 的 誕 生 從 天 文 學(xué) 的 突 破 開(kāi) 始 德 國(guó) 哲 學(xué) 家 康 德 說(shuō) ： 有 兩 樣 東 西 ， 我 們 越 是 持久 和 深 沉 地 思 考 著 ， 就 越 有 新 奇 和 強(qiáng) 烈 的 贊 嘆 與敬 畏 充 溢 我 們 的 心 靈 ， 這 就 是 我 們 頭 頂 的 星 空 和我 們 內(nèi) 心 的 道 德 律 。 對(duì) 天 空 的 向 往 北 宋 詞 人 辛 棄 疾 :可 憐 今 夕 月 ,向 何 處 ,去 悠 悠 ?是別 有 人 間 ,那 邊 才 見(jiàn) ,光 影 東 頭 ?是 天 外 ,空 汗 漫 ,但 長(zhǎng)風(fēng) 浩 浩 送 中 秋 ?飛 鏡

2、 無(wú) 根 誰(shuí) 系 ？ 嫦 娥 不 嫁 誰(shuí) 留 ? 1.古 埃 及 的 宇 宙 結(jié) 構(gòu) 恒 星 是 鑲 嵌 在 俯 趴 于 地球 上 方 的 女 神 身 上 ， 天 空 是天 神 Nut， 大 地 是 地 神 G eb, 天 神 和 地 神 白 天 是 分 開(kāi) 的 ，一 直 到 晚 上 才 重 聚 。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 ， 在六 個(gè) 晨 昏 ， 分 別 造 光 分 晝夜 、 造 空 氣 分 天 地 、 植 物 、日 月 星 辰 、 魚 和 鳥(niǎo) 、 畜 類 ，并 照 著 自 己 的 形 像 和 樣 式造 人

3、 ； 天 地 萬(wàn) 物 都 造 齊 后 ，上 帝 賜 福 安 息 的 第 七 日 為“ 圣 日 ” 。 3.亞 里 士 多 德 “ 水 晶 球 ” 模 型 亞 里 士 多 德 “ 地 心 說(shuō) ” ： 地 球 是 宇 宙 中 心 , 絕 對(duì) 靜 止 不 動(dòng) 的 ; 由 55個(gè) 水 晶 球 組 成 ； 天 體 的 運(yùn) 動(dòng) 由 神 力 驅(qū) 使 ; “水 晶 球 ” 模 型 Ptolemy(約 85-約 165) 公 元 140年 托 勒 密 在 總 結(jié)前 人 工 作 的 基 礎(chǔ) 上 系 統(tǒng) 地 確 立了 地 心 說(shuō) 。 認(rèn) 為 ： 大 地 為 球 形 ， 且 居 于 宇 宙中 心 ， 靜 止 不 動(dòng)

4、， 其 他 天 體 都繞 著 地 球 轉(zhuǎn) 動(dòng) 。4.托 勒 密 “ 地 心 說(shuō) ” 體 系 托 勒 密 是 公 元 2世 紀(jì) 古 希 臘 天 文 學(xué) 家 、 地 理學(xué) 家 、 數(shù) 學(xué) 家 ， 著 有 天 文 學(xué) 大 成 、 地 理學(xué) 。 宇 宙 有 “ 九 重 天 ” ， 有 九個(gè) 運(yùn) 轉(zhuǎn) 著 的 同 心 的 晶 瑩 球 殼 。 第 一 到 第 三 重 天 月 亮 天 、水 星 天 和 金 星 天 ； 太 陽(yáng) 居 于 第 四 重 天 球 上 ，它 是 宇 宙 的 主 宰 ， 以 巨 大 的光 輝 照 亮 宇 宙 ； 第 五 到 第 七 重 天 火 星 天 、木 星 天 和 土 星 天 ； 恒

5、星 天 ： 全 部 恒 星 象 寶 石 一 般 鑲 嵌 在 這 層 天 上 ； 最 高 天 ： 即 “ 原 動(dòng) 天 ” ， 那 里 是 神 靈 居 住 的 天 堂 。 托 勒 密 把 每 個(gè) 行 星 的 運(yùn) 動(dòng) 描 述 成 沿 一 個(gè) 本 輪小 圓 回 轉(zhuǎn) ， 本 輪 中 心 又 繞 一 個(gè) 以 地 球 為 中 心 的 均輪 運(yùn) 行 。 托 勒 密 天 體 機(jī) 械 模 型 這 樣 “ 地 心 說(shuō) ” 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(shí) 也 符合 上 帝 創(chuàng) 造 人 類 、 地 球 必 然 在 宇 宙 中 居 有 至 高無(wú)

6、 上 地 位 的 宗 教 教 義 ， 對(duì) 人 們 的 思 想 和 科 學(xué) 發(fā)展 的 禁 錮 達(dá) 千 年 之 久 。于 是 一 場(chǎng) 科 學(xué) 革 命 必 須 也 只 能 從 這 矛 盾 最 尖 銳 的 地 方 發(fā) 生 。 二 、 向 地 心 說(shuō) 挑 戰(zhàn) 哥 白 尼 創(chuàng) 立 日 心 說(shuō)Copernicus （ 1473-1543）1.哥 白 尼 生 平 簡(jiǎn) 介 哥 白 尼 是 波 蘭 人 的 后 裔 ， 出 生 在 靠 近 波 蘭 國(guó) 界的 普 魯 士 的 托 恩 （ Thorn） 。 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 督教 義 、 醫(yī)

7、 學(xué) 與 法 學(xué) 。 年回 波 蘭 后 ， 從 事 三 重 職 業(yè) 達(dá) 十 三年 之 久 ： 履 行 教 會(huì) 職 務(wù) 、 行 醫(yī) 和研 究 天 文 學(xué) 。 2.哥 白 尼 的 基 本 觀 點(diǎn) （ 1） 太 陽(yáng) 是 宇 宙 的 中 心 ,行星 圍 繞 著 太 陽(yáng) 運(yùn) 轉(zhuǎn) ； （ 2） 地 球 作 為 一 顆 行 星 繞 著太 陽(yáng) 運(yùn) 轉(zhuǎn) ,它 本 身 還 在 自 轉(zhuǎn) ； （ 3） 月 亮 是 地 球 的 衛(wèi) 星 ,地球 帶 著 月 亮 一 起 繞 太 陽(yáng) 運(yùn) 轉(zhuǎn) ； （ 4） 恒 星 在 遠(yuǎn) 離 太 陽(yáng) 的 一 個(gè)天 球 面 上 靜 止 不 動(dòng) 。 3.日 心 說(shuō) 提 出 的 科 學(xué) 、 歷 史

8、 和 哲 學(xué) 根 源科 學(xué) 根 源 ： 托 勒 密 模 型 的 預(yù) 告 有 時(shí) 很 不 準(zhǔn) 確 ， 并 且 隨 著 天文 學(xué) 觀 察 數(shù) 據(jù) 越 來(lái) 越 多 ， 為 了 給 予 解 釋 ， 托 勒 密 的地 心 說(shuō) 不 斷 修 補(bǔ) ， 越 來(lái) 越 復(fù) 雜 ， 難 以 使 人 信 服 。歷 史 根 源 ： 哥 白 尼 在 意 大 利 留 學(xué) 十 年 中 ， 開(kāi) 闊 了 眼 界 ， 閱讀 了 大 量 天 文 學(xué) 書 籍 ， 受 到 文 藝 復(fù) 興 運(yùn) 動(dòng) 影 響 ， 思想 解 放 ， 投 身 科 學(xué) 革 命 。 贊 成 畢 達(dá) 哥 拉 斯 學(xué) 派 “ 宇 宙 是 和 諧 的 ， 可 以由 簡(jiǎn) 單

9、的 數(shù) 學(xué) 關(guān) 系 來(lái) 表 達(dá) 宇 宙 規(guī) 律 ” 。 “ 太 陽(yáng) 在 宇 宙 正 中 坐 在 其 寶 座 上 ,在 這 壯 麗的 神 殿 里 ， 有 誰(shuí) 能 將 這 發(fā) 光 體 放 在 一 個(gè) 更 好 地 的位 置 上 以 讓 它 同 時(shí) 普 照 全 宇 宙 ？ ” 柏 拉 圖 高 度 贊 美 太 陽(yáng) ， 給 予 太 陽(yáng) “ 宇 宙 正 中 ”的 位 置 。哲 學(xué) 根 源 ： 4. 對(duì) 火 星 逆 行 的 解 釋是 哥 白 尼 理 論 的 一 個(gè) 勝 利 托 勒 密 的 行 星 軌 跡 5. 布 魯 諾 的 殉 難 是 哥 白 尼 日 心 說(shuō) 經(jīng) 受 的 第 一 次 考 驗(yàn)Bruno （ 1

10、548-1600） 論 無(wú) 限 、 宇 宙 及 世 界 宣 揚(yáng) ： 1.宇 宙 沒(méi) 有 中 心 ， 且 在 空間 上 是 無(wú) 限 的 ； 2.宇 宙 在 時(shí) 間 上 是 永 恒 的 ，其 中 存 在 “ 世 界 ” 的 產(chǎn) 生 和 消 亡 ; 3.宇 宙 萬(wàn) 物 處 在 變 化 之 中 ，但 都 由 “ 物 質(zhì) ” 組 成 .在 真 理 面 前 我 半 步 也 不 會(huì) 退 讓 三 、 開(kāi) 普 勒 行 星 三 定 律1.第 谷 布 拉 赫 的 貢 獻(xiàn) 丹 麥 天 文 學(xué) 家 第 谷 ， 靠 自 己 設(shè)計(jì) 的 天 文 儀 器 ， 把 天 文 觀 測(cè) 的 精 度提 高 到 了 1， 相 當(dāng) 于 滿

11、月 直 徑 視 角的 1/30。 積 累 了 大 量 太 陽(yáng) 、 月 亮 和其 他 行 星 運(yùn) 動(dòng) 的 精 確 數(shù) 據(jù) ， 提 出 ： “ 日 心 說(shuō) 和 地 心 說(shuō) 都 有 缺 陷 ” TychoBrahe( 1546-1601 ) 第 谷 在 天 文 臺(tái) 工 作 第 谷 用 過(guò) 的 望 遠(yuǎn) 鏡 2.開(kāi) 普 勒 開(kāi) 普 勒 從 第 谷處 獲 得 了 大 量 精 確的 天 文 學(xué) 數(shù) 據(jù) . 16091619年 ，他 先 后 提 出 了 行 星運(yùn) 動(dòng) 三 定 律 。 K epler （ 1571-1630 ） 3.開(kāi) 普 勒 行 星 三 定 律（ 1） 橢 圓 定 律 ： 每 個(gè) 行 星 的

12、軌 道 是 一 個(gè) 橢 圓 ， 太 陽(yáng) 位 于 一 個(gè)焦 點(diǎn) 上 ; 開(kāi) 普 勒 第 一 定 律 開(kāi) 普 勒 第 二 定 律（ 2） 等 面 積 定 律 ： 在 行 星 與 太 陽(yáng) 間 作 一 條 直 線 ， 則 此 直 線 在 行 星運(yùn) 動(dòng) 的 過(guò) 程 中 ， 在 相 同 的 時(shí) 間 內(nèi) 掃 過(guò) 的 面 積 相 等 ; 32 kRT （ 3） 和 諧 定 律 ： 行 星 運(yùn) 動(dòng) 周 期 T 的 平 方 正 比 于 行 星 與 太 陽(yáng)平 均 距 離 R 的 三 次 方 ， 記 為 ： 通 常 我 們 把 地 球 與 太 陽(yáng) 的 平 均 距 離 -日 地距 離 -作 為 一 個(gè) 天 文 距 離

13、單 位 ， 記 為 AU 1AU= m周 期 以 年 為 單 位 ， 則 比 例 常 數(shù) k的 值 為 11105.1 例 ： 已 知 火 星 離 太 陽(yáng) 的 平 均 距 離 為 R=1.5AU,求 ： 火 星 繞 太 陽(yáng) 運(yùn) 行 的 周 期 解 : 由 開(kāi) 普 勒 第 三 定 律 有 :32 kRT 8.1)5.11()( 2/132/13 kRT y故 火 星 繞 太 陽(yáng) 運(yùn) 行 的 周 期 為 1.8年 . 水 星 金 星 地 球 火 星 木 星 土 星 T 0.241 0.615 1 1.881 11.862 29.457 R 0387 0.723 1 1.524 5.203 9.53

14、9 T2 0.058 0.378 1 3.54 140.7 867.7R3 0.05796 0.3779 1 3.54 140.85 867.8532 kRT 開(kāi) 普 勒 已 經(jīng) 認(rèn) 識(shí) 到 ： 他 的 定 律 強(qiáng) 烈 地 暗 示 了 太陽(yáng) 對(duì) 行 星 有 一 種 吸 引 力 ， 這 個(gè) 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(yáng) 最 近 ）的 運(yùn) 動(dòng) 速 度 比 金 星 的 快 ， 因 而 周 期 最 短 的 事 實(shí) 。 但這 是 什 么 樣 的 力 呢 ？ 開(kāi) 普 勒 還 想 不 出 來(lái) ， 揭 示 這 一自 然 奧 秘 的

15、 任 務(wù) 是 后 來(lái) 牛 頓 完 成 的 ， 但 開(kāi) 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) 。 從 開(kāi) 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(kāi) 路 先 鋒 。 埃 拉 托 色 尼 測(cè) 量 地 球 圓 周 長(zhǎng) 公 元 前 3世 紀(jì) 埃 及人 Eratosthenes在 “ 阿斯 旺 ” 小 鎮(zhèn) 發(fā) 現(xiàn) 夏 至日 正 午 的 陽(yáng) 光 懸 在 頭頂 :物 體 沒(méi) 有 影 子 ， 陽(yáng)光 直 接 射 入 深 水 井 中 。 在 以 后 幾 年 里 的 同 一天 、 同 一 時(shí) 間 ， 他 在 亞 歷山 大 測(cè) 量 了 同 一 地 點(diǎn) 的 物體 的 影 子 。 他 發(fā) 現(xiàn) 太 陽(yáng) 光線 有 輕 微 的 傾 斜 ， 在 垂 直方 向 偏 離 大 約 7.2度 角 。 “ 阿 斯 旺 ” 小 鎮(zhèn) 和 亞 歷 山大 的 距 離 是 當(dāng) 時(shí) 5000個(gè) 希臘 運(yùn) 動(dòng) 場(chǎng) 的 周 長(zhǎng) ， 而 地 球的 圓 周 為 360度 ， 如 果 兩 座城 市 成 7.2度 角 ， 就 是7.2/360的 圓 周 ， 就 因 此 地球 周 長(zhǎng) 就 是(360/7.2) 5000=25萬(wàn) 個(gè) 希臘 運(yùn) 動(dòng) 場(chǎng) 的 周 長(zhǎng) 。 鏈 接