自然科学论文开普勒三定律及其意义

开普勒三定律及其意义
开普勒（1571-1630年）是德国近代著名的天文学家、数学家、物理学家和哲学家。

他将数学和天文观测结合起来，在天文学方面做出了巨大的贡献。

开普勒是继哥白尼之后第一个站出来捍卫日心说、并在天文学方面有突破性成就的人物，被后世的科学史家称为“天上的立法者”。

开普勒定律：也统称“开普勒三定律”，也叫“行星运动定律”，是指行星在宇宙空间绕太阳公转所遵循的定律。

由于是德国天文学家开普勒根据丹麦天文学家第谷·布拉赫等人的观测资料和星表，通过他本人的观测和分析后，于1609～1619年先后早归纳提出的，故行星运动定律即指开普勒三定律。

开普勒定律是开普勒发现的关于行星运动的定律。

他于1609年在他出版的《新天文学》上发表了关于行星运动的两条定律，又于1618年，发现了第三条定律。

开普勒很幸运地能够得到，著名的丹麦天文学家第谷·布拉赫所观察与收集的，非常精确的天文资料。

大约于1605年，根据布拉赫的行星位置资料，开普勒发现行星的移动遵守三条相当简单的定律。

开普勒的定律给予亚里士多德派与托勒密派在天文学与物理学上极大的挑战。

他主张地球是不断地移动的；行星轨道不是周转圆(epicycle的，而是椭圆形的；行星公转的速度不等恒。

这些论点，大大地动摇了当时的天文学与物理学。

经过了几乎一世纪披星戴月，废寝忘食的研究，物理学家终于能够用物理理论解释其中的道理。

牛顿利用他的第二定律和万有引力定律，在数学上严格地证明开普勒定律，也让人们了解其中的物理意义。

开普勒的三条行星运动定律改变了整个天文学，彻底摧毁了托勒密复杂的宇宙体系，完善并简化了哥白尼的日心说。

一、开普勒第一定律
开普勒第一定律，也称椭圆定律；也称轨道定律：每一个行星都沿各自的
椭圆轨道环绕太阳，而太阳则处在椭圆的一个焦点中。

二、开普勒第二定律
开普勒第二定律，也称面积定律：在相等时间内，太阳和运动中的行星的连线（向量半径）所扫过的面积都是相等的。

这一定律实际揭示了行星绕太阳公转的角动量守恒。

用公式表示为
三、开普勒第三定律
开普勒第三定律，也称调和定律；也称周期定律：是指绕以太阳为焦点的椭圆轨道运行的所有行星，其椭圆轨道半长轴的立方与周期的平方之比是一个常量。

这里，a是行星公转轨道半长轴，T是行星公转周期，K是常数，其大小只
与中心天体的质量有关。

开普勒三定律的意义
开普勒的三定律是天文学的又一次革命，它彻底摧毁了托勒密繁杂的本轮宇宙体系，完善和简化了哥白尼的日心宇宙体系。

开普勒对天文学最大的贡献在于他试图建立天体动力学，从物理基础上解释太阳系结构的动力学原因。

虽然他提出有关太阳发出的磁力驱使行星作轨道运动的观点是错误的。

但它对后人寻找出太阳系结构的奥秘具有重大的启发意义，为经典力学的建立、牛顿的万有引力定律的发现，都作出重要的提示。

首先，开普勒定律在科学思想上表现出无比勇敢的创造精神。

远在哥白尼创立日心宇宙体系之前，许多学者对于天动地静的观念就提出过不同见解。

但对天体遵循完美的均匀圆周运动这一观念，从未有人敢怀疑。

开普勒却毅然否定了它。

这是个非常大胆的创见。

哥白尼知道几个圆合并起来就可以产生椭圆，但他从来没有用椭圆来描述过天体的轨道。

正如开普勒所说，“哥白尼没有觉察到他伸手可得的财富”。

其次，开普勒定律彻底摧毁了托勒密的本轮系，把哥白尼体系从本轮的桎梏下解放出来，为它带来充分的完整和严谨。

哥白尼抛弃古希腊人的一个先入之见，即天与地的本质差别，获得一个简单得多的体系。

但它仍须用三十几个圆周来解释天体的表观运动。

开普勒却找到最简单的世界体系，只用七个椭圆说就全部解决了。

从此，不须再借助任何本轮和偏心圆就能简单而精确地推算行星的运动。

第三，开普勒定律使人们对行星运动的认识得到明晰概念。

它证明行星世界是一个匀称的（即开普勒所说的“和谐”）系统。

这个系统的中心天体是太阳，受来自太阳的某种统一力量所支配。

太阳位于每个行星轨道的焦点之一。

行星公转周期决定于各个行星与太阳的距离，与质量无关。

而在哥白尼体系中，太阳虽然居于宇宙“中心”，却并不扮演这个角色，因为没有一个行星的轨道中心是同太阳相重合的。

由于利用前人进行的科学实验和记录下来的数据而作出科学发现，在科学史上是不少的。

但像行星运动定律的发现那样，从第谷的20余年辛勤观测到开普勒长期的精心推算，道路如此艰难，成果如此辉煌的科学合作，则是罕见的。

这一切都是在没有望远镜的条件下得到的！
后来，牛顿利用他的第二定律和万有引力定律，在数学上严格地证明开普勒定律，也让人们了解当中的物理意义。

事实上，开普勒定律只适用於二体问题，但是太阳系主要的质量集中於太阳，来自太阳的引力比行星之间的引力要大得多，因此行星轨道问题近似于二体问题。

开普勒发现的行星运动定律改变了整个天文学，彻底摧毁了托勒密复杂的宇宙体系，完善并简化了哥白尼的日心说。