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開(kāi)普勒三大定律的內(nèi)容
開(kāi)普勒在1609年發(fā)表了關(guān)于行星運(yùn)動(dòng)的兩條定律，一條是開(kāi)普勒第一定律，也叫軌道定律，內(nèi)容是所有的行星繞太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)的軌道都是橢圓的，太陽(yáng)處在橢圓的一個(gè)焦點(diǎn)上。
開(kāi)普勒第二定律，也叫面積定律，對(duì)于任何一個(gè)行星來(lái)說(shuō)，它與太陽(yáng)的連線在相等的時(shí)間掃過(guò)相等的面積。
用公式表示為：SAB=SCD=SEK
到了1619年時(shí)，開(kāi)普勒又發(fā)現(xiàn)了第三條定律，也就是開(kāi)普勒第三定律，也稱為周期定律，內(nèi)容為所有的行星的軌道的半長(zhǎng)軸的三次方跟公轉(zhuǎn)周期的二次方的比值都相等。
開(kāi)普勒不僅為哥白尼的日心說(shuō)找到了數(shù)量關(guān)系，更找到了物理上的依存關(guān)系，使天文學(xué)假說(shuō)更加的符合自然界本身的真實(shí)。行星運(yùn)動(dòng)三大定律的發(fā)現(xiàn)為經(jīng)典天文學(xué)奠定了基石，并導(dǎo)致數(shù)十年后萬(wàn)有引力定律的發(fā)現(xiàn)。
開(kāi)普勒全名約翰尼斯開(kāi)普勒，出生于1571年，死于1630年，開(kāi)普勒是德國(guó)近代著名的天文學(xué)家，數(shù)學(xué)家，物理學(xué)家和哲學(xué)家。開(kāi)普勒以數(shù)學(xué)的和諧性探索宇宙，在天文學(xué)方面作出了巨大的貢獻(xiàn)，開(kāi)普勒是繼哥白尼之后第一個(gè)站出來(lái)捍衛(wèi)太陽(yáng)中心說(shuō)，并在天文學(xué)方面有突破性的成就的人物，被后世的科學(xué)家稱為天上的立法者。
開(kāi)普勒是哥白尼日心說(shuō)的忠實(shí)信徒，為此開(kāi)普勒做了不少天文測(cè)量，并在天文學(xué)方面作出了許多積極的貢獻(xiàn)，1604年他觀察到了銀河系內(nèi)的一顆超新星，歷史上稱它為開(kāi)普勒新星，1607年，開(kāi)普勒觀測(cè)了一顆大慧星，就是后來(lái)的哈雷慧星，到了1609年，開(kāi)普勒發(fā)表了多項(xiàng)有關(guān)行星運(yùn)動(dòng)的理論，當(dāng)中包括了開(kāi)普勒第一定律和開(kāi)普勒第二定律，1618年，開(kāi)普勒再次發(fā)表了有關(guān)行星運(yùn)動(dòng)的開(kāi)普勒第三定律的論文。
開(kāi)普勒三大定律的意義
開(kāi)普勒的三定律是天文學(xué)的又一次革命，它徹底摧毀了托勒密繁雜的本輪宇宙體系，完善和簡(jiǎn)化了哥白尼的日心宇宙體系。開(kāi)普勒對(duì)天文學(xué)最大的貢獻(xiàn)在于他試圖建立天體動(dòng)力學(xué)，從物理基礎(chǔ)上解釋太陽(yáng)系結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)原因。雖然他提出有關(guān)太陽(yáng)發(fā)出的磁力驅(qū)使行星作軌道運(yùn)動(dòng)的觀點(diǎn)是錯(cuò)誤的。但它對(duì)后人尋找出太陽(yáng)系結(jié)構(gòu)的奧秘具有重大的啟發(fā)意義，為經(jīng)典力學(xué)的建立、牛頓的萬(wàn)有引力定律的發(fā)現(xiàn)，都作出重要的提示。
首先，開(kāi)普勒定律在科學(xué)思想上表現(xiàn)出無(wú)比勇敢的創(chuàng)造精神。遠(yuǎn)在哥白尼創(chuàng)立日心宇宙體系之前，許多學(xué)者對(duì)于天動(dòng)地靜的觀念就提出過(guò)不同見(jiàn)解。但對(duì)天體遵循完美的均勻圓周運(yùn)動(dòng)這一觀念，從未有人敢懷疑。開(kāi)普勒卻毅然否定了它。這是個(gè)非常大膽的創(chuàng)見(jiàn)。哥白尼知道幾個(gè)圓合并起來(lái)就可以產(chǎn)生橢圓，但他從來(lái)沒(méi)有用橢圓來(lái)描述過(guò)天體的軌道。正如開(kāi)普勒所說(shuō)，“哥白尼沒(méi)有覺(jué)察到他伸手可得的財(cái)富”。
其次，開(kāi)普勒定律徹底摧毀了托勒密的本輪系，把哥白尼體系從本輪的桎梏下解放出來(lái)，為它帶來(lái)充分的完整和嚴(yán)謹(jǐn)。哥白尼拋棄古希臘人的一個(gè)先入之見(jiàn)，即天與地的本質(zhì)差別，獲得一個(gè)簡(jiǎn)單得多的體系。但它仍須用三十幾個(gè)圓周來(lái)解釋天體的表觀運(yùn)動(dòng)。開(kāi)普勒卻找到最簡(jiǎn)單的世界體系，只用七個(gè)橢圓說(shuō)就全部解決了。從此，不須再借助任何本輪和偏心圓就能簡(jiǎn)單而精確地推算行星的運(yùn)動(dòng)。
第三，開(kāi)普勒定律使人們對(duì)行星運(yùn)動(dòng)的認(rèn)識(shí)得到明晰概念。它證明行星世界是一個(gè)勻稱的(即開(kāi)普勒所說(shuō)的“和諧”)系統(tǒng)。這個(gè)系統(tǒng)的中心天體是太陽(yáng)，受來(lái)自太陽(yáng)的某種統(tǒng)一力量所支配。太陽(yáng)位于每個(gè)行星軌道的焦點(diǎn)之一。行星公轉(zhuǎn)周期決定于各個(gè)行星與太陽(yáng)的距離，與質(zhì)量無(wú)關(guān)。而在哥白尼體系中，太陽(yáng)雖然居于宇宙“中心”，卻并不扮演這個(gè)角色，因?yàn)闆](méi)有一個(gè)行星的軌道中心是同太陽(yáng)相重合的。
拓展閱讀：開(kāi)普勒簡(jiǎn)介
開(kāi)普勒于1571年12月27日生于德國(guó)的符騰堡。開(kāi)普勒幼年體弱多病，12歲時(shí)入修道院學(xué)習(xí)。1578年進(jìn)入蒂賓根大學(xué)，在校中遇到秘密宣傳哥白尼學(xué)說(shuō)的天文學(xué)教授麥斯特林，在他的影響下，很快成為哥白尼學(xué)說(shuō)的忠實(shí)維護(hù)者。1591年獲文學(xué)碩士學(xué)位，被聘請(qǐng)到格拉茨新教神學(xué)院擔(dān)任教師。1594年他得到大學(xué)的有力推薦，中止了神學(xué)課程，去奧地利格拉茨的路德派高級(jí)中學(xué)任數(shù)學(xué)教師。在那里，他開(kāi)始研究天文學(xué)。1596年出版《宇宙的神秘》一書(shū)而受到第谷的常識(shí)，應(yīng)邀到布拉格附近的天文臺(tái)做研究工作。1600年，來(lái)到布拉格成為第谷的助手。次年，第谷去世，開(kāi)普勒成為第谷事業(yè)的繼承人。
開(kāi)普勒視力不佳，但做了不少天文觀測(cè)。1604年9月30日在蛇夫座附近出現(xiàn)一顆新星，最亮?xí)r比木星還亮。開(kāi)普勒對(duì)這顆新星進(jìn)行了十七個(gè)月的觀測(cè)并發(fā)表了觀測(cè)結(jié)果。歷史上稱它為開(kāi)普勒新星(現(xiàn)在知道，這是一顆銀河系內(nèi)的超新星)。1607年，他觀測(cè)了一顆大彗星，這就是后來(lái)的哈雷彗星。開(kāi)普勒對(duì)光學(xué)很有研究。1604年發(fā)表《對(duì)威蒂略的補(bǔ)充，天文光學(xué)說(shuō)明》。1611年出版《光學(xué)》一書(shū)。這是一本闡述近代望遠(yuǎn)鏡理論的著作。他把伽利略式望遠(yuǎn)鏡的凹透鏡的目鏡改成用小凸透鏡。這種望遠(yuǎn)鏡被稱為開(kāi)普勒望遠(yuǎn)鏡。開(kāi)普勒還發(fā)現(xiàn)大氣折射的近似定律，用很簡(jiǎn)單的方法計(jì)算大氣折射，并且說(shuō)明在天頂(不像第谷所相信的在高度45°)大氣折射才為零。他最先認(rèn)為大氣有重量，并且正確地說(shuō)明月全食時(shí)月亮呈紅色是由于有一部分太陽(yáng)光經(jīng)過(guò)地球大氣折射后投射到月亮上而造成的。
開(kāi)普勒用很長(zhǎng)的時(shí)間對(duì)第谷遺留下來(lái)的觀測(cè)資料進(jìn)行分析。起先他仍按傳統(tǒng)觀念，認(rèn)為行星作勻速圓周運(yùn)動(dòng)。但是經(jīng)過(guò)反覆推算發(fā)現(xiàn)，對(duì)火星來(lái)說(shuō)，無(wú)論按哥白尼的方法，還是按托勒密或第谷的方法，都不能算出同第谷的觀測(cè)相合的結(jié)果。雖然黃經(jīng)誤差最大只有8′，但是他堅(jiān)信觀測(cè)的結(jié)果。于是他想到，火星可能不是作勻速圓周運(yùn)動(dòng)的。他改用各種不同的幾何曲線來(lái)表示火星的運(yùn)動(dòng)軌跡，終于發(fā)現(xiàn)了“火星沿橢圓軌道繞太陽(yáng)運(yùn)行，太陽(yáng)處于焦點(diǎn)之一的位置”這一定律。這個(gè)發(fā)現(xiàn)把哥白尼學(xué)說(shuō)向前推進(jìn)了一大步。用開(kāi)普勒本人的話說(shuō)：“就憑這8′差異，引起了天文學(xué)的全部革新!”接著他又發(fā)現(xiàn)，雖然火星運(yùn)行的速度是不均勻的(最快時(shí)是在近日點(diǎn)，最慢時(shí)在遠(yuǎn)日點(diǎn))，但是，從任何一點(diǎn)開(kāi)始，在單位時(shí)間內(nèi)，向徑掃過(guò)的面積卻是不變的。這樣，就得出了關(guān)于行星運(yùn)動(dòng)的第二條定律：“行星的向徑，在相等時(shí)間內(nèi)掃過(guò)相等的面積?！边@兩條定律，刊布于1609年出版的《新天文學(xué)》一書(shū)內(nèi)。書(shū)中又指出，這兩條定律也適用于其他行星和月球的運(yùn)動(dòng)。
1612年，開(kāi)普勒發(fā)現(xiàn)了關(guān)于行星運(yùn)動(dòng)的第三條定律：“行星公轉(zhuǎn)周期的平方等于軌道半長(zhǎng)軸的立方。”這一結(jié)果發(fā)表在1619年出版的《宇宙諧和論》中。行星運(yùn)動(dòng)三定律的發(fā)現(xiàn)為經(jīng)典天文學(xué)奠定了基石，并導(dǎo)致了數(shù)十年后萬(wàn)有引力定律的發(fā)現(xiàn)。
1618-1621年，他出版了《哥白尼天文學(xué)概要》。書(shū)中敘述他對(duì)宇宙結(jié)構(gòu)和大小的觀點(diǎn)。在1619-1620年期間出版的《彗星論》一書(shū)中，他指出彗尾總是背著太陽(yáng)，是因?yàn)樘?yáng)光排斥彗頭的物質(zhì)所造成。這是在距今兩個(gè)半世紀(jì)以前預(yù)言了輻射壓力的存在。
開(kāi)普勒當(dāng)時(shí)最受到人們欽佩的工作，是1627年出版的《魯?shù)婪蛐潜怼?。這是根據(jù)他的行星運(yùn)動(dòng)定律和第谷的觀測(cè)資料編制的。根據(jù)此表可以知道行星的位置，其精確度比以前的各種星表都高，直到十八世紀(jì)中葉，它一直被視為天文學(xué)上的標(biāo)準(zhǔn)星表。他于1629年出版《稀奇的1631年天象》一書(shū)，預(yù)言1631年11月7日水星凌日現(xiàn)象，12月6日金星也將凌日。果然在預(yù)言的日期，巴黎的伽桑狄觀測(cè)到水星通過(guò)日面。這是最早的水星凌日觀測(cè)。至于那次金星凌日，因發(fā)生在夜間，在西歐看不到。
開(kāi)普勒對(duì)天文學(xué)作出了卓越的貢獻(xiàn)。然而，他的一生卻是在極端艱難貧困的條件下度過(guò)的。1630年，他有幾個(gè)月得不到薪俸，經(jīng)濟(jì)困難，不得不親自前往雷根斯堡索取。到那里后他突然發(fā)燒，1630年11月15日，開(kāi)普勒在一家客棧里悄悄地離開(kāi)了世界。他死時(shí)，除一些書(shū)籍和手稿之外，身上僅剩下了7分尼(1馬克等于100分尼)。