高中物理 第五章 經典力學與物理學的革命 開普勒的成就素材 粵教版必修2（通用）

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1、開普勒的成就 開普勒是繼哥白尼之后第一個站出來捍衛(wèi)太陽中心說、并在天文學方面有突破性成就的人物，被后世的科學史家稱為“天上的立法者”。 1587年進入蒂賓根大學，在校中遇到秘密宣傳哥白尼學說的天文學教授麥斯特林。在他的影響下，很快成為哥白尼學說的忠實維護者1591年獲得文學碩士學位，后來想當路德教派牧師而學神學。因得到大學的有力推薦，中止了神學課程，去奧地利格拉茨的路德派高中任數學教師，開始研究天文學。1596年出版《宇宙的神秘》一書受到第谷的賞識，應邀到布拉格附近的天文臺做研究工作。1600年，到布拉格成為第谷的助手。次年第谷去世，開普勒成為第谷事業(yè)的繼承人。 不幸的一生 　　157

2、1年12月27日，開普勒出生在德國威爾的一個貧民家庭。他的祖父曾是當地頗有名望的貴族。但當開普勒出生時，家道已經衰落，全家人就靠經營一家小酒店生活。開普勒是一個早產兒，體質很差。他在童年時代遭遇了很大的不幸，四歲時患上了天花和猩紅熱，雖僥幸死里逃生，身體卻受到了嚴重的摧殘，視力衰弱，一只手半殘。但開普勒身上有一種頑強的進取精神。12歲時入修道院學習。他放學后要幫助父母料理酒店，但一直堅持努力學習，成績一直名列前茅。 　　1587年，開普勒進入蒂賓根大學。這時候，新的不幸又降臨到他身上了，父親病故，母親被指控有巫術罪而入獄。生活不幸并未使他中止學業(yè)，他反而加倍努力學習。在大學學習期間，他受到天

3、文學教授麥斯特林的影響，成為哥白尼學說的擁護者，同時對神學的信仰發(fā)生了動搖。開普勒經常在大學里和同學辯論，旗幟鮮明的支持哥白尼的立場。大學畢業(yè)后，開普勒獲得了天文學碩士的學位，被聘請到格拉茨新教神學院擔任教師。后來，由于學校被天主教會控制，開普勒離開神學院前往布拉格，與卓越的天文觀察家第谷一起專心地從事天文觀測工作。正是第谷發(fā)現(xiàn)了開普勒的才能。在弟谷的幫助和指導下，開普勒的學業(yè)有了巨大的進步。雖然，開普勒視力不佳，但還是作了不少觀測工作，1604年九月30日在蛇夫座附近出現(xiàn)一顆新星，最亮時比木星還亮。開普勒對這顆新星進行了17個月的觀測并發(fā)表了觀測結果。歷史上稱它為開普勒新星(這是一顆銀河系內

4、的超新星)1607年，他觀測了一顆大彗星，就是后來的哈雷彗星。第谷死后，開普勒接替了他的職位，被聘為皇帝的數學家。然而皇帝對他十分吝嗇，給他的薪俸僅僅是第谷的一半，還時常拖欠不給。他的這一點點收入不足以養(yǎng)活年邁的母親和妻兒，因此生活非常困苦。但開普勒卻從未中斷過自己的科學研究，并且在這種艱苦的環(huán)境下取得了天文學上的累累成果。 　　1611年，皇帝魯道夫二世被其弟逼宮退位。開普勒也從此結束了御用數學家的生涯。1612年，開普勒被聘到奧地利林茨的一所大學任教兼作繪制地圖的工作。由于校方拖欠薪金，開普勒一家生活拮據。1613年，開普勒的妻子病故，他又與一個貧家女子成婚，生活依然處在艱難困苦中。16

5、18年，三十年戰(zhàn)爭爆發(fā)，開普勒被迫離開林茨，前往意大利波倫那大學任教。即使在這樣顛沛流離的環(huán)境下，開普勒依然以不舍的精神和緊張的勞動去攻克天文學上的難關。 　　晚年的開普勒堅持不懈地同唯心主義的宇宙論作斗爭。1625年，他寫了題為《為第谷·布拉赫申辯》的著作，駁訴了烏爾蘇斯對第谷的攻擊，因而受到了天主教會的迫害。天主教會將開普勒的著作列為禁書。1626年，一群天主教徒包圍了開普勒的住所，揚言要處決他。后來，開普勒因為曾擔任皇帝的數學家而幸免遇難。1630年11月，因數月未得到薪金，生活難以維持，年邁的開普勒不得不親自到雷根斯堡索取。不幸的是，他剛剛到那里就抱病不起。1630年11月15日，開

6、普勒在一家客棧里悄悄地離開了世界。他死時，除一些書籍和手稿之外，身上僅剩下了7分尼（1馬克等于100分尼）。 　　開普勒被葬于拉提斯本圣彼得堡教堂，戰(zhàn)爭過后，他的墳墓已蕩然無存。但他突破性的天文學理論，以及他不懈探索宇宙的精神卻成為了后人銘記他的最好的豐碑。 早期的科學研究 　　早期的開普勒深受柏拉圖和畢達哥拉斯神秘主義宇宙結構論的影響，以數學的和諧性去探索宇宙。他用古希臘人已經發(fā)現(xiàn)的五個正多面體，跟當時已知的六顆行星的軌道套迭，從而解釋了太陽系中包括地球在內恰好有六顆行星以及它們的軌道大小的原因。他把這些結論整理成書發(fā)表，定名為《宇宙的秘密》。這個設想雖帶有神秘主義色彩，但卻也是一個大

7、膽的探索。 　　開普勒在天文學研究方面的天賦，是被第谷獨具慧眼地發(fā)現(xiàn)的，第谷是當時最卓越的天文觀察家，他測量了無數恒星的位置和行星的運動。發(fā)現(xiàn)了許多新的現(xiàn)象，如黃赤交角的變化、月球運行的二均差，以及歲差的測定等。第谷最大的天文學成就就是發(fā)現(xiàn)了開普勒。第谷在臨終前將自己多年積累的天文觀測資料全部交給了開普勒，再三叮囑開普勒要繼續(xù)他的工作，并將觀察結果出版出來。開普勒接過了第谷尚未完成的研究工作。后來，開普勒在伽利略的影響下，通過對行星運動進行深入的研究，拋棄了柏拉圖和畢達哥拉斯的學說，逐步走上真理和科學的軌道。 開普勒和天文學改革 　　17世紀按照開普勒的行星運動三定律會知道太陽系圖 　

8、　對火星軌道的研究是開普勒重新研究天體運動的起點。因為在第谷遺留下來的數據資料中，火星的資料是最豐富的，而哥白尼的理論在火星軌道上的偏離最大。開始，開普勒用正圓編制火星的運行表，發(fā)現(xiàn)火星老是出軌。他便將正圓改為偏心圓。在進行了無數次的試驗后，他找到了與事實較為符合的方案?？墒牵勒者@個方法來預測衛(wèi)星的位置，卻跟第谷的數據不符，產生了8分的誤差。這8分的誤差相當于秒針0.02秒瞬間轉過的角度。開普勒知道第谷的實驗數據是可信的，那錯誤出在什么地方呢？ 　　正是這個不容忽略的8分使開普勒走上了天文學改革的道路。他敏感的意識到火星的軌道并不是一個圓周。隨后，在進行了多次實驗后，開普勒將火星軌道確定為

9、橢圓，并用三角定點法測出地球的軌道也是橢圓，斷定它運動的線速度跟它與太陽的距離有關。 　　1609年，開普勒出版了《新天文學》一書，提出了著名的開普勒第一和第二定律。而開普勒第三定律則是在1619年出版的《宇宙諧和論》中提出的。 　　開普勒第一定律是：所有行星繞太陽運轉的軌道是橢圓的，其大小不一，太陽位于這些橢圓的一個焦點上。 　　開普勒第二定律這樣斷定：向量半徑（行星與太陽的連線）在相等的時間里掃過的面積相等。由此得出了以下的結論：行星繞太陽運動是不等速的，離太陽近時速度快，離太陽遠時速度慢。這一定律進一步推翻了唯心主義的宇宙和諧理論，指出了自然界的真正的客觀屬性。 　　開普勒第三定

10、律：行星公轉周期的平方與它們各自軌道半長軸的立方成正比。這一定律將太陽系變成了一個統(tǒng)一的物理體系。 　　行星運動三定律的發(fā)現(xiàn)為經典天文學奠定了基石，并導致數十年后萬有引力定律的發(fā)現(xiàn)。 　　哥白尼學說認為天體繞太陽運轉的軌道是圓形的，且是勻速運動的。開普勒第一和第二定律恰好糾正了哥白尼的上述觀點的錯誤，對哥白尼的日心說做出了巨大的發(fā)展，使"日心說"更接近于真理。更徹底地否定了統(tǒng)治千百年來的托勒密地心說。開普勒還指出，行星與太陽之間存在著相互的作用力，其作用力的大小與二者之間的距離長短成反比。 　　開普勒不僅為哥白尼日心說找到了數量關系，更找到了物理上的依存關系，使天文學假說更符合自然界本身

11、的真實。開普勒在完成三大定律時曾說道：“這正是我十六年前就強烈希望探求的東西。我就是為了這個目的同第谷合作的……現(xiàn)在大勢已定！書已經寫成，是現(xiàn)在被人讀還是后代有人讀，于我卻無所謂了。也許這本書要等上一百年，要知道，大自然也等了觀察者六千年呢！” 　　開普勒出版的《哥白尼天文學概要》敘述他對宇宙結構和大小的觀點；在《彗星論》中，他指出彗尾總是背著太陽，是因為太陽光排斥彗頭的物質所造成；1627年出版的《魯道夫星表》是根據他的行星運動定律和第谷的觀測資料編制的。根據此表可以知道行星的位置，其精度比以前的任何星表都高，直到十八世紀中葉，它一直被視為天文學上的標準星表。他于1629年出版的《稀奇的1

12、631年天象》中預言1631年11月7日水星凌日現(xiàn)象，12月6日金星也將凌日，果然如期觀測到了水星凌日，而金星凌日西歐看不到。 開普勒的光學成就 　　不僅在天文學上，開普勒在光學領域的貢獻也是非常卓越的。他是近代光學的奠基者。1604年發(fā)表《對威蒂略的補充，天文光學說明》。他研究了小孔成像，并從幾何光學的角度加以解釋說明。他指出光的強度和光源的距離的平方成反比。開普勒研究過光的折射問題，1611年，開普勒發(fā)表了《折光學》一書，闡述了光的折射原理，認為折射的大小不能單單從物質密度的大小來考慮。例如油的密度比水的密度小，而它的折射卻比水的折射大。為折射望遠鏡的發(fā)明奠定了基礎。開普勒還發(fā)現(xiàn)大氣折

13、射的近似定律，用很簡單的方法計算大氣折射，并且說明在天頂大氣折射為零。他最先認為大氣有重量，并且正確地說明月全食時月亮呈紅色是由于一部分太陽光被地球大氣折射后投射到月亮上而造成的。他最早提出了光線和光束的表示法，還成功地改進了望遠鏡。他把伽利略望遠鏡的凹透鏡目鏡改成小凸透鏡，這種望遠鏡被稱為開普勒望遠鏡。開普勒還對人的視覺進行了研究，糾正了以前人們所認為的視覺是由眼睛的發(fā)射出光的錯誤觀點。他認為人看見物體是因為物體所發(fā)出的光通過眼睛的水晶體投射在視網膜上，并且解釋了產生近視眼和遠視眼的原因。 成為英雄 　　開普勒所處的年代正值歐洲從封建主義社會向資本主義社會轉變的時期。在科學與神權的斗爭中，開普勒堅定地站在了科學的一邊，用自己孱弱的身體、艱苦的勞動和偉大的發(fā)現(xiàn)來挑戰(zhàn)封建傳統(tǒng)觀念，推動了唯物主義世界觀的發(fā)展，使人類科學向前跨進了一大步。馬克思高度評價了開普勒的品格，稱他是自己所喜愛的英雄。