中科大天文學(xué)史課件09萬有引力定律的發(fā)現(xiàn)和證實

第九講

萬有引力定律的發(fā)現(xiàn)和證實一、萬有引力定律的發(fā)現(xiàn)二、萬有引力定律的證實一、萬有引力定律的發(fā)現(xiàn)1．牛頓生平簡介

牛頓（IsaacNewton,1642－1727）1642年12月25日（新歷1643年1月4日）出生于英國林肯郡沃爾斯索普村。

12歲進(jìn)格蘭瑟姆文科中學(xué)。

18歲進(jìn)劍橋大學(xué)三一（Trinity）學(xué)院學(xué)數(shù)學(xué)。

24歲進(jìn)入該校教師團(tuán)。

25歲獲碩士學(xué)位。

26歲任數(shù)學(xué)教授職位。

60歲（1703年）起任英國皇家學(xué)會會長。

1727年3月20日（新歷3月31日）逝世。

伊薩克·

牛頓（1642——1727）上:牛頓親手所繪青少年時代住所

左:牛頓畫像牛頓的觀測室

牛頓在科學(xué)史上是一位劃時代的人物，樹立了一個里程碑。2．發(fā)現(xiàn)萬有引力定律的背景

16世紀(jì)前亞里士多德的見解。

1586年比利時力學(xué)家斯臺文（S．Stevin,1548－1620）的發(fā)現(xiàn)。

伽利略的斜面實驗和拋射體運動的研究。區(qū)

分速度和加速度的概念。

開普勒探討太陽驅(qū)動行星。

1659年惠更斯由單擺擺動得圓周運動規(guī)律：向心加速度與速度平方成正比與距離成反比。（于1673年發(fā)表）。j＝V2／R

（1）

1673年后英國科學(xué)家胡克(R.Hooke,1635—1702)、哈雷（E．Halley,1656－1742）和雷恩（C.Wren，1632—1723）討論太陽引力與行星距離關(guān)系。行星1和行星2據(jù)開普勒第三定律滿足：

T22／T12＝R23／R13

（2）用行星的軌道速度為

V1＝2πR1／T1，V2＝2πR2／T2，上式代入（1）得

j1／j2＝R1／R2·T22／T12

（2）式代入上式得：

j1／j2＝R12／R22

（3）（3）式表明：太陽引力與距離平方成反比。（1679）3．牛頓的研究（1）拋射體繞地球的運動（2）月球繞地球的運動

V＝2πR／T

R＝384400km,T=27．32天

j＝V2／R

＝4π2R／T2

（4）

j＝0.27cm/s2

月球處地球重力加速度a，地面重力加速度為g：

g/a＝r2/R2

（5）

g＝981cm／s2，r＝6371km

a＝0．27cm／s2。

（3）行星繞日運動的推廣

牛頓用流量和流數(shù)理論（即微積分）作計算推導(dǎo)出太陽對行星的引力與行星離太陽的距離平方成反比。

1685年用流量和流數(shù)理論證明等密度球?qū)忧蝮w相當(dāng)于質(zhì)量集中于質(zhì)心。1687年出版《自然哲學(xué)的數(shù)學(xué)原理》（Philosophi?

NaturalisPrincipia

Mathematica），提出完整的萬有引力定律。（4）太陽系天體的軌道證明在萬有引力作用下，軌道是圓錐曲線。（5）論證并修正了開普勒行星運動定律

T12

（M+m1）

R13

T22

（M+m2）

R23

（6）一些重要天文現(xiàn)象的解釋

（i）行星繞軸自轉(zhuǎn)成為扁球體。

(ii)

歲差的成因。

(iii)

潮汐的成因。圓錐曲線示意圖歲差引起的北天極的移動歲差的力學(xué)解釋4．牛頓成就原因簡析

（1）異常勤奮，繼承前人成果。牛頓說：“如果說我比笛卡爾看得遠(yuǎn)一點，那是因為我站在巨人的肩上?！?/p>

（2）科學(xué)的研究方法。繼承培根（F．Bacon,1561—1626）重視歸納法的傳統(tǒng)。二、萬有引力定律的證實

1．哈雷彗星回歸的預(yù)言

1705年哈雷發(fā)表《彗星天文學(xué)概論》，以萬有引力定律計算歷史上24顆彗星軌道。發(fā)現(xiàn)1682、1607、1531年的彗星軌道根數(shù)幾乎相同。預(yù)言將于1758年回歸。在他逝世后16年，彗星再度出現(xiàn)。哈雷（1656—1742）哈雷計算的彗星星歷表哈雷彗星的軌道2．孤立大山的引力使鉛垂線偏轉(zhuǎn)

1774年格林尼治天文臺臺長馬斯基林（N.Maskelyne,1732—1811）測蘇格蘭希哈里恩山南北緯度差。天文觀測值為54.6″，大地測量為42.94″。證實大山的引力使鉛垂線偏轉(zhuǎn)。孤立大山兩邊鉛垂線的偏離3．萬有引力常數(shù)的測定

萬有引力定律的表達(dá)式為

F＝GMm/r2

1798年英國物理學(xué)家卡文迪許（H．Cavendish,

1731—1810）通過扭秤實驗求得G?？ㄎ牡显S的實驗示意圖4．海王星的發(fā)現(xiàn)

1781年由英國天文學(xué)家威廉·

赫歇爾

（WilliamHerschel,1738—1822）發(fā)現(xiàn)了

天王星。它的位置的理論值與觀測值產(chǎn)生偏差。

1845年9月J．C．亞當(dāng)斯（J．C．

Adams,1819—1892）算出未知行星軌

道。先后向查利斯（J．Challis,1803—1882）和艾里（G.B.Airy,1801—1892）報告。

威廉·赫歇爾（1738—1822）威廉·赫歇爾創(chuàng)作的樂曲和制作的望遠(yuǎn)鏡

亞當(dāng)斯（1819—1892）勒威耶（1811—1877）

1846年8月法國勒威耶（U.J．J．LeVerrier,1811—1877）發(fā)表“論使天王星失常的行星，它的質(zhì)量、軌道和現(xiàn)在位置的決定”。9月寫信給柏林天文臺的伽勒（J.G.Galle,1812—1910）。9月23日發(fā)現(xiàn)。被命名為海王星。證實了哥白尼日心體系和萬有引力定律。勒威耶1845年繪制的天王星黃經(jīng)的偏差伽勒（1812—1910）發(fā)現(xiàn)海王星時所用的柏林科學(xué)院星圖艾里（1801—1892）及其漫畫像5．對恒星暗伴星的預(yù)言和發(fā)現(xiàn)

1834年貝塞爾（F.W.Bessel,1784—1846）發(fā)現(xiàn)天狼星自行不是直線，預(yù)言有伴星。1840

年發(fā)現(xiàn)南河三亦然。

1862年A.G.

克拉克（A.G.Clark，1832－

1897）發(fā)現(xiàn)天狼星暗伴星。

1892年，舍伯爾（J.M.Sch?berle,1853—1824）發(fā)現(xiàn)南河三暗伴星。證實萬有引力定律適用于恒星世界。天狼星及其伴星的自行軌跡

天文學(xué)史期終考題(論文提綱)

主要論文：略論現(xiàn)代天文學(xué)發(fā)展的淵源和流變（約2000字）源：古希臘天文學(xué)，要求闡述其特點并結(jié)合這些特點說明之所以能成為現(xiàn)代天文學(xué)之源的原因。流：以天文學(xué)史上里程碑式的事件（或由人物體現(xiàn)）貫穿起來，要求說明每一個事件在現(xiàn)代天文學(xué)發(fā)展史上的意義。

這些人物和事件主要有（以下列出的僅供參考）：

托勒玫