第二章1 天地运动
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第二章 力热电光 经典华章
自然及其规律隐藏在黑暗中， 上帝说， 让牛顿去吧， 于是一切都已明朗！
―蒲伯（A. Pope, 1688-1744）
天不降牛顿， 万古如长夜。
《牛顿》（布莱克，1795）
§2.1 天 地 运 动
• 从地心说到日心说 • 伽利略的科学观 • 开普勒定律 • 牛顿与万有引力定律
三、开普勒定律
三、开普勒定律
正是亚里士多德在此纯几何系统中加入球体，因为他观 察天空中的太阳，月亮的形状和它们的运动都是球体。
毕达哥拉斯 + 柏拉图 + 亚里士多德 + 欧几里德
(numbers) (ideal)
(logic) (definitions & laws)
古希腊的科学宗旨
但是，圆锥曲线（椭圆，抛物
表伽利略自己的萨尔维阿提和中立的沙格列陀)
天空中的星星数目比我们看到的要多得多。
支
宇宙是无限的
持 了
银河系包含了无数的恒星。
哥
ຫໍສະໝຸດ Baidu
白
亚里士多德的“55晶球模型”是错误的。
尼
月亮表面不是光滑平坦的，而是凸凹起伏的
的 日
所有的天体是相似的，地球并非独特的。
心
说
木星有四个卫星。
宇宙中可能存在其他的行星系统。
二、伽利略的科学观
在哥白尼的天体运行模型中，天体 的运动始终处在一个又一个球体表 面上，为了解释已有的天文观测数 据，必须用“圆上加圆”的方法（ 本轮）修正哥白尼的轨道。
毕达哥拉斯一直宣称自然界是由 一些完美的形状组成的。
完美形式 = 真实, 美, 平等
柏拉图继承毕达哥拉斯学派的观 点，并指出物质世界是由一小组 完美的，理想的几何形状构成的 (the five Platonic solids)。
这使他能够研究运动——物体在时 空中的表现——特别是引入速度的 概念。
伽利略最伟大的贡献之一是在引入 了加速度的概念。
根据伽利略的设计， 后人制造出的时钟
二、伽利略的科学观
二、伽利略的科学观
“科学之父”
约翰·弥而顿（J. Milton, 1608-1674）
在《失乐园》中：
圆圆的，坚实巨大笨重的盾牌 背在背上。这又大又圆的劳什子， 挂在他肩上像月亮，这个球面体， 那托斯卡尼的艺术家通过望远镜， 夜晚从非索里山顶或亚诺河谷观察时， 在她斑斑点点的球面上， 发现新陆地、新河流或者新山脉。
2. 对任一个行星说，它的矢径在 相等的时间内扫过相等的面积。
3. 行星绕太阳运动轨道长半轴 r 的立方与周期 T 的平方成正比。
木星周期T木星
(
问题2：为什么有行星退行现象？
一、从地心说到日心说
答案：均轮+本轮
“如果上帝在创世时能与我 商量一下，我会给他更好 的建议。”
阿尔方斯国王（King Ａlfonse）
1543年，哥白尼在临 终前出版了《 天体
运行论》，向我们描 绘了一个全新的宇宙 ——日心体系。
一、从地心说到日心说
哥白尼——挡住了太阳，推动了地球。
我曾测量过天空， 而现在测量幽冥， 灵魂飞向天国， 肉体安息土中。
最终，他放弃了自己七十余次“圆
墓志铭，自撰
上家圆”的方法构造的火星轨道曲
线，放弃了匀速圆周运动这个一向 Johannes Kepler (1571-1630) 为人们所钟爱的古老信念，建立了
行星运动三定律。
开普勒行星运动三定律：
1. 行星沿椭圆轨道绕太阳运动， 太阳位于椭圆的一个焦点上。
线，双曲线）被忽略了。
出生于丹麦的天文学家第谷（ Tycho Brahe ）, 二十年如一日精确 地测量和记录了行星的运行轨道。
丹麦贵族，拥 有王室天文台， 托勒密的忠实 信徒，但酷爱 科学，被称为 天文学泰斗， 近代天文学始 祖。
第谷(Tycho Brahe 1546-1601) The man with the golden nose
看起来如此抑郁？
实证实验——比萨斜塔
十大经典物理实 验的第二位
且不论这个传说 的真伪，事实是 ，伽利略创立了 科学方法论的基 本思想 ——以实验来验 证理论
二、伽利略的科学观
伽利略确实做了 斜面实验，名列 十大最美丽实验 第八位
二、伽利略的科学观
思维实验
二、伽利略的科学观
二、伽利略的科学观
伽利略研究运动 —— 物体在时空中的表现形式
三、开普勒定律
三、开普勒定律
第谷从不相信哥白尼体系，当他去 世时，把毕生的天文观测资料传给 了他的学生，德国天文学家开普勒 （Johannes Kepler）。
与第谷不同的是，开普勒坚定地相信 哥白尼的日心说，但他不能解释为什 么行星的圆周轨道与第谷的天文观测 结果不同。他相信老师的观测，更倾 向于从理论上思考问题。
在伽利略时代，用来测量时间的时钟是基于太阳光的移 动（日晷），物体（水或沙砾）的流动，物体的燃烧速 率（熏烟时钟）等。
二、伽利略的科学观
中国的水钟
17世纪 荷兰的油钟
二、伽利略的科学观
爱尔兰的水碗钟（Irish water-bowl clock）
18世纪中国的沙漏
(使用大理石沙砾)
伽利略根据单摆振动原理制造了时 钟，以此提高了时间测量的精确性 。
Nicolaus Copernicus (1473-1543, 波兰天文学家)
一、从地心说到日心说
哥白尼的日心说自然地 解释了火星退行现象
一、从地心说到日心说
二、伽利略的科学观
伽利略 （Galileo Galilei ,1564 - 1642 ）
二、伽利略的科学观
伽利略的发现：（《两大世界体系的对话》，代表亚里士多德的辛普利亚；代
牛顿、苹果、月亮
从中世纪一直到十五世纪，教 会承认希腊天文学家托勒密总 结的宇宙地心体系：地球作为 宇宙的中心，日、月、恒星等 围绕地球运动。
一、从地心说到日心说
托勒密
Ptolemy (2nd century A.D. 希腊天文学家）
一、从地心说到日心说
问题1：为什么月亮时大时小？
答案：忽近忽远（模型的缺陷） 托勒密用象限仪在测量月亮 的高度，巴塞尔作，1508
伽利略将哥白尼日心说的思想抽象化，引入参考系的概念 参照系就是你所选择的观察物体运动的“落脚点”
同一物体的运动，参考系不同， 对它的运动的描述就会不同
日心系
二、伽利略的科学观
Z
地面系
o Y
X 地心系
“科学之父”
伽利略科学方法论 :
二、伽利略的科学观
模型论证 实证实验 思维实验
慢
快
如何？ 为什么亚里士多德
自然及其规律隐藏在黑暗中， 上帝说， 让牛顿去吧， 于是一切都已明朗！
―蒲伯（A. Pope, 1688-1744）
天不降牛顿， 万古如长夜。
《牛顿》（布莱克，1795）
§2.1 天 地 运 动
• 从地心说到日心说 • 伽利略的科学观 • 开普勒定律 • 牛顿与万有引力定律
三、开普勒定律
三、开普勒定律
正是亚里士多德在此纯几何系统中加入球体，因为他观 察天空中的太阳，月亮的形状和它们的运动都是球体。
毕达哥拉斯 + 柏拉图 + 亚里士多德 + 欧几里德
(numbers) (ideal)
(logic) (definitions & laws)
古希腊的科学宗旨
但是，圆锥曲线（椭圆，抛物
表伽利略自己的萨尔维阿提和中立的沙格列陀)
天空中的星星数目比我们看到的要多得多。
支
宇宙是无限的
持 了
银河系包含了无数的恒星。
哥
ຫໍສະໝຸດ Baidu
白
亚里士多德的“55晶球模型”是错误的。
尼
月亮表面不是光滑平坦的，而是凸凹起伏的
的 日
所有的天体是相似的，地球并非独特的。
心
说
木星有四个卫星。
宇宙中可能存在其他的行星系统。
二、伽利略的科学观
在哥白尼的天体运行模型中，天体 的运动始终处在一个又一个球体表 面上，为了解释已有的天文观测数 据，必须用“圆上加圆”的方法（ 本轮）修正哥白尼的轨道。
毕达哥拉斯一直宣称自然界是由 一些完美的形状组成的。
完美形式 = 真实, 美, 平等
柏拉图继承毕达哥拉斯学派的观 点，并指出物质世界是由一小组 完美的，理想的几何形状构成的 (the five Platonic solids)。
这使他能够研究运动——物体在时 空中的表现——特别是引入速度的 概念。
伽利略最伟大的贡献之一是在引入 了加速度的概念。
根据伽利略的设计， 后人制造出的时钟
二、伽利略的科学观
二、伽利略的科学观
“科学之父”
约翰·弥而顿（J. Milton, 1608-1674）
在《失乐园》中：
圆圆的，坚实巨大笨重的盾牌 背在背上。这又大又圆的劳什子， 挂在他肩上像月亮，这个球面体， 那托斯卡尼的艺术家通过望远镜， 夜晚从非索里山顶或亚诺河谷观察时， 在她斑斑点点的球面上， 发现新陆地、新河流或者新山脉。
2. 对任一个行星说，它的矢径在 相等的时间内扫过相等的面积。
3. 行星绕太阳运动轨道长半轴 r 的立方与周期 T 的平方成正比。
木星周期T木星
(
问题2：为什么有行星退行现象？
一、从地心说到日心说
答案：均轮+本轮
“如果上帝在创世时能与我 商量一下，我会给他更好 的建议。”
阿尔方斯国王（King Ａlfonse）
1543年，哥白尼在临 终前出版了《 天体
运行论》，向我们描 绘了一个全新的宇宙 ——日心体系。
一、从地心说到日心说
哥白尼——挡住了太阳，推动了地球。
我曾测量过天空， 而现在测量幽冥， 灵魂飞向天国， 肉体安息土中。
最终，他放弃了自己七十余次“圆
墓志铭，自撰
上家圆”的方法构造的火星轨道曲
线，放弃了匀速圆周运动这个一向 Johannes Kepler (1571-1630) 为人们所钟爱的古老信念，建立了
行星运动三定律。
开普勒行星运动三定律：
1. 行星沿椭圆轨道绕太阳运动， 太阳位于椭圆的一个焦点上。
线，双曲线）被忽略了。
出生于丹麦的天文学家第谷（ Tycho Brahe ）, 二十年如一日精确 地测量和记录了行星的运行轨道。
丹麦贵族，拥 有王室天文台， 托勒密的忠实 信徒，但酷爱 科学，被称为 天文学泰斗， 近代天文学始 祖。
第谷(Tycho Brahe 1546-1601) The man with the golden nose
看起来如此抑郁？
实证实验——比萨斜塔
十大经典物理实 验的第二位
且不论这个传说 的真伪，事实是 ，伽利略创立了 科学方法论的基 本思想 ——以实验来验 证理论
二、伽利略的科学观
伽利略确实做了 斜面实验，名列 十大最美丽实验 第八位
二、伽利略的科学观
思维实验
二、伽利略的科学观
二、伽利略的科学观
伽利略研究运动 —— 物体在时空中的表现形式
三、开普勒定律
三、开普勒定律
第谷从不相信哥白尼体系，当他去 世时，把毕生的天文观测资料传给 了他的学生，德国天文学家开普勒 （Johannes Kepler）。
与第谷不同的是，开普勒坚定地相信 哥白尼的日心说，但他不能解释为什 么行星的圆周轨道与第谷的天文观测 结果不同。他相信老师的观测，更倾 向于从理论上思考问题。
在伽利略时代，用来测量时间的时钟是基于太阳光的移 动（日晷），物体（水或沙砾）的流动，物体的燃烧速 率（熏烟时钟）等。
二、伽利略的科学观
中国的水钟
17世纪 荷兰的油钟
二、伽利略的科学观
爱尔兰的水碗钟（Irish water-bowl clock）
18世纪中国的沙漏
(使用大理石沙砾)
伽利略根据单摆振动原理制造了时 钟，以此提高了时间测量的精确性 。
Nicolaus Copernicus (1473-1543, 波兰天文学家)
一、从地心说到日心说
哥白尼的日心说自然地 解释了火星退行现象
一、从地心说到日心说
二、伽利略的科学观
伽利略 （Galileo Galilei ,1564 - 1642 ）
二、伽利略的科学观
伽利略的发现：（《两大世界体系的对话》，代表亚里士多德的辛普利亚；代
牛顿、苹果、月亮
从中世纪一直到十五世纪，教 会承认希腊天文学家托勒密总 结的宇宙地心体系：地球作为 宇宙的中心，日、月、恒星等 围绕地球运动。
一、从地心说到日心说
托勒密
Ptolemy (2nd century A.D. 希腊天文学家）
一、从地心说到日心说
问题1：为什么月亮时大时小？
答案：忽近忽远（模型的缺陷） 托勒密用象限仪在测量月亮 的高度，巴塞尔作，1508
伽利略将哥白尼日心说的思想抽象化，引入参考系的概念 参照系就是你所选择的观察物体运动的“落脚点”
同一物体的运动，参考系不同， 对它的运动的描述就会不同
日心系
二、伽利略的科学观
Z
地面系
o Y
X 地心系
“科学之父”
伽利略科学方法论 :
二、伽利略的科学观
模型论证 实证实验 思维实验
慢
快
如何？ 为什么亚里士多德