《第一讲 从地心宇宙观到日心宇宙观》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第一讲 从地心宇宙观到日心宇宙观（69页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、*BHJ上篇 经典物理基础经典物理基础*BHJ第一章 时空与运动的经典表述时空与运动的经典表述*BHJ第一讲从地心宇宙观到日心宇宙观从地心宇宙观到 日心宇宙观*BHJ我仰望星空, 它是那样寥廓而深邃； 那无穷的真理， 让我苦苦地求索、追随。 温家宝 2007年5月14日同济大学建筑城规学院钟厅一个民族有一些关注天空的人，他们才有希望；一个民族只是关心脚下的事情，那是没有未来的。 从地心宇宙观到日心宇宙观蚂蚁星云*BHJ本讲主要内容1. 古希腊理论：地心宇宙2. 哥白尼理论：日心宇宙3. 开普勒理论：太阳为焦点的宇宙4. 亚里士多德物理学5. 伽利略的贡献6. 物质世界的空间尺度与时标从地心宇宙
2、观到日心宇宙观*BHJ地心宇宙观1. 古希腊理论：地心宇宙16世纪中叶之前,人类对 自然的认识受宗教、神学和 迷信的影响很大。人们普遍 认为自然和天体的运动是神 秘的，是有一只看不见的上 帝之手控制的。而科学家的 工作不过是论证和揭示上帝 如何创造、支配世界和宇宙 的。*BHJ古希腊学者亚里士多 德提出，托勒密加以发展 的地心说体系深入人心。 人们认为地球是宇宙的中 心，太阳和其他一切天体 都围绕地球转动。地心说符合上帝造世 和造人的教义，成为基督 教理论的根据，其他一切 均被视为异端邪说。地心宇宙观*BHJ古希腊人的天 空几何结构：每个天 体（太阳、月亮、水 、金、火、木、土星 ）都附在以地
3、球为中 心的透明球壳上，所 有恒星都被嵌在一个 透明球壳上，球壳绕 地球匀速转动。地心宇宙观*BHJ太阳月球金星水星火星木星土星恒星宇宙有“九重天”，这 是九个运转着的同心的晶 莹球壳。最底的一重天是 月亮天，其次是水星天和 金星天；太阳居于第四重 天球上，它是宇宙的主宰 ，世界的灵魂，它以巨大 的光辉照亮宇宙；第五到 第七重天依次是火星天、 木星天和土星天； 第八重是恒星天，全部恒星象宝石一般镶嵌在这层天上；在恒星 天上，还有一重最高天，即“原动天”，那里是神灵居住的天堂。 地球坐落在宇宙中心。地心宇宙观*BHJ亚里士多德的证据：大地是个固定不动的球体。在月食时观察到的地 球投到月亮上的影子
4、船只出海时没入地平线在北方陆地上中午时分 太阳在天空的位置较低冰岛地心宇宙观*BHJ该理论存在的问题：不能解释“行星的非匀速运动”、“火星的逆 行”、“逆行时行星变亮”。678 910111212图示：火星以恒星为背景的运动，它的停顿和逆行地心宇宙观*BHJ为解释矛盾，引入均轮 、本轮理论，保留希腊思想 家都支持的匀速圆周运动。托勒密（公元85 165年）的修正：保留“匀 速圆周运动”，引入均轮 、本轮、偏心等距点等概 念。延续了15个世纪。地心宇宙观*BHJ托勒密有两个重要的功绩： 把古代的“地心”思想发展成为系统的地心说； 运用模型方法，成功地解释了他的宇宙理论。托勒密理论的两个致命弱点：
5、 认为地球是静止不动的宇宙中心； 认为正圆运动是天体最完美的运动。地心宇宙观*BHJ雅典学院帕拉图亚里斯 多德。*BHJ2. 哥白尼理论：日心宇宙日心宇宙观哥白尼（14731543）是波兰人 的后裔，出生在靠近波兰国界的 普鲁士的托恩。他从事于三重职 业达十三年之久：履行教会职务 、行医和研究天文学。提出日心说的动机: 托勒密体系偏离了毕达哥拉斯 思想，确少简洁与和谐 改革历法*BHJ日心宇宙观*BHJ天体运行 论是天文学上 的伟大著作。哥 白尼作为一个天 主教徒深知这一 理论太富于革命 性，因担心天主 教会的迫害，直 到1543年他逝世 前夕才发表了13 年前已完成的著 作。日心宇宙观*BH
6、J哥白尼的天文学思想及其新的宇宙体系，第一次揭示了地球和其他行星围绕太阳运转的客观规律，打破了主宰世界近2000年的地心说体系，彻底动摇了宗教教义的基础。日心宇宙观*BHJ恒星的球壳太阳 月亮地球日心宇宙观*BHJ哥白尼的基本观点： 1. 太阳在宇宙中心； 2. 行星和地球绕太阳运转； 3. 地球有自转，月亮是地 球的卫星。 4. 行星在太阳系中排列的秩 序是：离太阳最远的是土星 （30年绕太阳一周）；其次 是木星（12年一周）；然后是火星（2年一周）；第四 是地球和月亮（1年一周）；第五是金星（9个月一周） ；离太阳最近的是水星（80天一周）。恒星在远离太阳 的一个天球面上静止不动。简单，实
7、用的日心宇宙日心宇宙观*BHJ地球火星哥白尼理论对逆行的说明：当地球追过另一行星如火星时，由于地球上观察 者视线的转动，这个行星在恒星背景上看起来就象是 向后运动。日心宇宙观*BHJ哥白尼的两个重要功绩： 打破了亚里士多德物理学中天地有别的界限 破除了亚里士多德的绝对运动概念,引入运动 相对性概念(暗示宇宙可能根本没有中心)哥白尼理论的两个时代局限： 认为行星轨道是正圆形 认为宇宙是有限的球。日心宇宙观*BHJ日心说触怒了教会，天体运行论列为禁书， 布鲁诺殉难是哥白尼日心说经受的第一次考验 。布鲁诺鲁诺 （Giordano Btuno，1548-1600） 意大利天文学家。布鲁诺是日心说的宣传
8、者和捍卫 者。他还以天才的直觉发展了哥白尼 的宇宙学说，提出了宇宙无限的思想 。布鲁诺认为，宇宙是统一的、物质 的、无限的，太阳系之外还有无数多 个世界。布鲁诺超前于时代太多了， 他的无限宇宙图景差不多300年后才得 到科学界的公认。日心宇宙观*BHJ布鲁诺的激进思想 使天主教会暴跳如雷、 恼羞成怒，1600年2月 17日被宗教法庭处以火 刑，活活烧死在罗马鲜 花广场上。意大利罗马鲜花广场日心宇宙观*BHJ名人名言黑暗即将过去，黎 明即将到来，真理终将 战胜邪恶！火，不能征 服我，未来 的世界会了 解我，会知道我的价值 。布鲁诺临刑前的最 后一句话*BHJ尽管日心说理论与观察数据一致，但还是遭
9、受 到一些基于观察的反对：哥白尼指出：这些问题在托勒密巨大的旋转星体球壳中更为 显著。 地球如此之大怎么能运动呢？ 是什么维持它的运动？ 飞鸟和云朵为什么不落在它的后面？ 为什么物体不被甩出地球？哥白尼实际假定了天上与地上的自然定律是一致的 哥白尼天文学使科学走向了牛顿物理学日心宇宙观*BHJ3. 开普勒理论：太阳为焦点的宇宙开普勒理论第谷 布拉赫（15461601） 丹麦天文学家，他是一个实干 家，他几十年如一日，精确地 观测和记录了行星的位置和运 动情况。*BHJ开普勒理论第谷的测量数据与托勒密 和哥白尼都不相符。用测量检验理论*BHJ开普勒理论开普勒花了整整十年时间，整理和分析了第谷的数
10、据，把第谷以地球为基准的数据转换成以太阳为基准的数据，发现哥白尼的理论和第谷的数据不符。最接近第谷数据的哥白尼轨道仍然差8。 开普勒（Kepler, 1571-1630）是一位相信哥白尼学说的德国 数学家，天文学家。*BHJ开普勒理论那样顽固执拗地相 信圆，这个错误困扰了 天文学 2000 年之久，也 许在思想史上找不到另 外的例子了。克斯特勒，20世纪作 家和科学史家开普勒拒绝了哥白尼理论，开始研究既非圆周也非匀速的行星运动。*BHJ有关欧元硬币的小知识欧元硬币的正面图案采用的是统一的设计方案，背面则由各 发行成员国自行定夺。 但丁画像 莫扎特像勃兰登堡门播种的女人*BHJ开普勒理论开普勒深
11、信上帝是依照完美的数学原则创造世界的。他富有想象力，善于抽象思维和理论分析。认为规律愈简单，从数学上看愈好，就愈接近自然。开普勒发现用柏拉图的五种正多面体，正好可以表示出六大行星的轨道半径。1596年，他在宇宙的奥秘一书中发表了这一构想，并受到第谷的赏识。*BHJ开普勒理论*BHJ开普勒理论1600年，开普勒接受第谷的邀请，前往匈牙利布 拉格协助第谷整理和分析数据。在第谷大量、细致的天文观察资料的基础上，开 普勒经过多次乏味的尝试，一次又一次地抛弃了不符 合第谷精确观察的结论，终于在1609年出版的新天 文学一书中，发表了描述火星运动的第一、第二定 律。1619年，开普勒出版了宇宙和谐论一书，
12、将 他已经发现的描述火星运动的两大定律推广到太阳系 的所有行星，同时公布了第三定律。*BHJ开普勒理论*BHJ开普勒理论开普勒三定律：1. 行星沿椭圆轨道绕 太阳运行，太阳位 于椭圆的一个焦点 上。 2. 太阳到行星的矢径 在相等的时间内扫 过的面积相等。3. 行星绕日一周所需要时间的平方，与其和太阳平均 距离的立方成正比。*BHJ水星 金星 地球 火星 木星 土星T 0.241 0.615 1 1.881 11.862 29.457D 0.387 0.723 1 1.524 5.203 9.539T2 0.058 0.378 1 3.54 140.7 867.7D3 0.05796 0.37
13、79 1 3.54 140.85 867.85开普勒理论*BHJ开普勒理论开普勒的惊人成就，是证 实下面这条真理的一个特别美 妙的例子，这条真理是，知识 不能单从经验得出，而只能从 理智的发明同观察到的事实两 者的比较中得出。爱因斯坦开普勒被誉为“天空立法者”，是中世纪科 学与近代科学的分水岭。*BHJ4. 亚里士多德物理学亚里士多德物理学古希腊哲学家和科学 家亚里士多德（公元 前 384 前322年）亚里士多德 第一个对古代科 学的进展做了总结。他也是第一个 试图建立力学普遍定律的人。他的 理论和我们通常的直观想法一致。亚里士多德物理学常识性看法亚里士多德认为：地球是绝对 静止的物体，而相对
14、于地球 的运 动看作绝对运动。*BHJ亚里士多德物理学亚里士多德认为运动分为两类：自然运动强迫运动自然运动：每个物体都有自己的固有位置，偏离固有位置的物体将趋向固有位置。地上物体的自然运动沿直线，轻者上升，重者下降； 天体的自然运动永恒地沿圆周运动。受迫运动：物体在推或拉的外力作用下发生的，没有外力，运动会停止。*BHJ亚里士多德物理学箭是在弓弦的作用下飞出的。然而脱 弦之后，箭周围的空 气挤向被箭排开的尾 部真空，推动着箭前 进。正像在浴缸里用 手捏肥皂的一端，肥 皂滑出后被推动在水 中前进一样。*BHJ亚里士多德物理学*BHJ亚里士多德物理学亚里士多德是如何解释以下事实的： 石头竖直向下落
15、 你在地板上推动一个箱子 木头浮在水面亚里士多德物理的困难： 下落快慢的问题 抛体运动 排除真空的存在 强迫运动需要施力者*BHJ5. 伽利略的贡献伽利略的贡献 伽利略帮助推翻了亚里士多德物 理学，推动了对惯性定律的明确表 述牛顿物理学的基础； 在天文学上有许多重大发现 为新的哥白尼宇宙提供支持； 首先对运动做了实验与和理论研 究发展与支持了科学方法论。伽利略(Galilei, 1564-1642) 意大利天文学家、物理学家，近代科学之父*BHJ伽利略的贡献科学方法论，即科学的行事方式：观念不是从 追随权威而得到的，而是从经验和理性思维中获得 的。伽利略的方法对科学一直起着关键的作用，这 些方法包括： 设计实验 对现实世界条件的理想化 限制研究范围 定量方法*BHJ伽利略的贡献1609年伽利略设计并制造的两架 望远镜。其中，那架小的可以放大14 倍，而那架大的可放大20倍。*BHJ伽利略的贡献*BHJ*BHJ伽利略的贡献伽利略通过望远镜观察到： 发现月球表面并非完美无缺，而是有大山和平原，有类似 火山口的环形山，与地球表面结构相同； 发现了木星的卫星； 发现了太阳的黑子及其移动的变化，证明了太阳的自转； 发现了银河是由无数星星组成，揭开了这个千古哑迷。人们传诵着：
