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高中物理
第四章 万有引力与天体运动
开普勒三大定律
最后
更新:
2025-04-29 15:20
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开普勒三大定律
## 行星的运动 日升月落,斗转星移。自古以来人类仰望天空,对各种天文现象充满好奇,并试图破解其中的奥秘。大约在公元前 500 年,作为科学的天文学开始起步,人类开始探寻对这些现象的进一步认识,对天空的认知也从太阳系逐步走向浩瀚的宇宙。 ### 人类在早期是如何认识天体运动的? 地心说和日心说是历史上关于天体运动的两种重要学说。 地心说经过几个世纪的发展,到公元 2 世纪由古代天文学家托勒密(图 6–2)进一步完善而成。**地心说认为地球静止不动,是宇宙的中心**;太阳、月亮和行星等所有天体都绕地球运动。地心说能解释一些天文现象,符合人们的日常经验。 {width=200px} 图 6–2 托勒密 地心说延续了一千多年之后,随着生产和航海事业的发展,天文观测的资料日益丰富,人们发现地心说的理论与实际的观测资料并不完全一致,也不能准确解释某些天文现象。 16 世纪,波兰天文学家哥白尼(图 6–3)利用前人积累的天文资料,经过近 40 年的观测和研究,提出了日心说。 {width=200px} > **日心说认为太阳是宇宙的中心,地球和其他行星围绕太阳运动** (图 6–4)。 {width=300px} 哥白尼的学说能简洁地解释“火星逆行”等行星运动的现象,可以简单明了地说明许多天文学的问题。虽然日心说受到当时社会的阻挠和禁止,但还是很快传播开来。哥白尼日心说的提出,不仅铺平了通向近代天文学的道路,而且开创了自然科学的新时代 直到 17 世纪初,伽利略用自己发明的望远镜观察天空,发现了围绕木星运动的“月球”,从而证明地球并非所有天体的中心。至此,地心说才真正退出历史舞台。 ## 行星的运动有什么规律? 德国天文学家开普勒(图 6–6)支持哥白尼的日心说,他仔细研究了丹麦天文学家第谷( T.Brahe,1546—1601 )花了连续 20 年对行星仔细观测积累的资料,经过 4 年多的刻苦计算,最后发现行星运动的真实轨道不是圆,而是椭圆。1609 年,开普勒发表了著名的开普勒第一和第二定律。开普勒第一定律把太阳的位置精确标定在椭圆的一个焦点上,各行星都在椭圆轨道上绕太阳运行。开普勒第二定律也叫“面积定律”,提出了行星与太阳的连线在相等时间内扫过的面积相等,这就解释了行星在近日点运动快、在远日点运动慢的原因(图 6–7)。1619 年,开普勒又在《宇宙和谐论》一书中发表了开普勒第三定律,即行星绕太阳运行的椭圆轨道半长轴 a 的三次方与周期 T 的二次方之比是一个常量,即 $$ \frac{a^3}{T^2}=k $$ 式中,$k$ 是一个与行星无关的常量。 方程
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