第七章 万有引力与航天
第一节 行星的运动
理解领悟
万有引力定律的建立过程,是从观察行星运动,描述行星运动规律开始的.人类对行星运动规律的认识,经历了从"地心说"到"日心说",直到开普勒的行星运动定律等阶段.教材通过对托勒密,哥白尼,第谷,开普勒等科学家关于行星运动规律研究的介绍,使我们领略到前辈科学家们对自然奥秘不屈不挠探索的精神和对待科学研究一丝不苟的态度,感悟到科学的结论总是在顽强曲折的科学实践中悄悄地来临.
基础级
地心说
古希腊天文学家托勒密在公元2世纪,提出了地心说宇宙体系.在这个体系里,地球是静止不动的,地球是宇宙的中心.托勒密按照月亮,水星,金星,太阳,火星,木星,土星,最后是恒星天球(原动天)的顺序,安排了后来以他的名字命名的地心说宇宙结构.他用"偏心轮","本轮—均轮"和"等距轮"三种基本运动80多个"轮上轮"巧妙地说明天体的各种运动,与实测数据符合得较好.虽然这只是用以计算天体角位置的一个数学方案,但因为同人们的直观经验一致,又迎合宗教教义,那以后的1400多年里一直被大家所公认.
日心说
15世纪,以波兰天文学家哥白尼为代表的日心说学派则认为太阳是静止不动的,地球和其他行星都绕太阳运动.哥白尼在《天体运动论》中提出了以下基本观点:宇宙的中心是太阳,所有的行星都在绕太阳做匀速圆周运动;地球是绕太阳旋转的普通行星,月球是绕地球旋转的卫星,它绕地球做匀速圆周运动,同时还跟地球一起绕太阳运动;天穹不转动,因为地球每天自西向东自转一周,造成天体每天东升西落的现象;与日地距离相比,恒星离地都十分遥远,比日地间的距离大得多.日心说大大简化了对行星运动轨道的描述,经过与地心说的长期争论,最终被人们所接受.但日心说存在两大缺陷:一是错误地把太阳当成了宇宙的中心,二是沿用了行星在圆形轨道上做匀速圆周运动的陈旧观念.
开普勒行星运动定律
德国天文学家开普勒仔细整理了丹麦天文学家第谷留下的长期观测资料,并进行了详细的分析.为了解释计算结果与第谷的观测数据间的8'差异,他摒弃了行星做匀速圆周运动的假设,提出了行星的运动轨道是椭圆的新观点.经过10多年的悉心研究,终于发现了后来以他的名字命名的行星运动定律:
开普勒第一定律(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焦点上.
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.
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.
由于开普勒把第谷的宏大数据表转化成了一个简单的和可以理解的曲线和规律的体系——开普勒三定律,且与观测资料十分吻合,所有很快得到了天文学家们的公认,而开普勒也得到了"天空的立法者"的光荣称号.
对开普勒行星运动定律的理解
对于开普勒行星运动定律,我们可以从以下几方面来加以理解:
开普勒第一定律说明了行星的运动轨迹是椭圆,太阳在此椭圆的一个焦点上,而不是位于椭圆的中心.不同的行星位于不同的椭圆轨道上,而不是位于同一椭圆轨道.再有.不同行星的椭圆轨道一般不在同一平面内.
开普勒第二定律行星运动的速率是在不断变化的.由于行星与太阳的连线在相等的时间内扫过相等的面积,说明行星在运转过程中离太阳越近速率越大,离太阳越远速率越小.也就是说,行星在近日点的速率最大,在远日点的速率最小.
若用a代表椭圆轨道的半长轴,T代表公转周期,开普勒第三定律告诉我们,
,
比值k是一个与行星无关的常量,仅与中心天体——太阳的质量有关.
开普勒三定律不仅适用于行星绕太阳的运动,也适用于卫星绕地球的运动,更一般地讲,也适用于其他天体绕某一中心天体的运动.当然,对于不同的中心天体,开普勒第三定律中的比例常数k是不同的.
行星轨道按圆处理时的规律
由于多数大行星的轨道十分接近圆,所以在中学阶段的研究中可按圆处理.根据开普勒行星运动定律,行星轨道按圆处理时遵循如下规律:
大多数行星绕太阳运动的轨道十分接近圆,太阳处在圆心.
对某一行星来说,它绕太阳做圆周运动的角速度(或线速度)不变,即行星做匀速圆周运动.
所有行星轨道半径的三次方跟它的公转周期的二次方的比值都相等.
认识行星运动规律的曲折过程给我们的启示
人类对行星运动规律的认识过程充满着曲折与艰辛,不同时期人们的宇宙观代表着与社会大背景相适应的主流观念和意识.从地心说的直接经验开始,到日心说的转变,不是简单的参考系的变化,而是人类思想的一次重大解放,此次人类的视野超越了地球.然而,地心说和日心说都保留保留人们心目中所钟爱的完美图形——圆,这在一定程度上代表了古代人的审美观.开普勒能够最终放弃这一世世代代为人们所信仰的完美图形,而坚信第谷的精确观测数据,不仅需要严谨的科学态度与科学精神,也需要极大的勇气.

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