中科大天文学史讲义09万有引力定律的发现和证实.docx
第九讲万有引力定律的发现和证实一、万有引力定律的发现1.牛顿生平简介牛顿（Isaac Newton, 1642-1727） 1642 年 12 月 25 日（新历1643年1月4日）出生于英国林肯郡沃尔斯索普村。12岁进格兰瑟姆文科中学。18岁进剑桥大学三一（Trinity）学院学数学。24岁进入该校教师团。25岁获硕士学位。26岁任数学教授职位。60岁（1703年）起任英国皇家学会会长。1727年3月20日（新历3月31日）逝世。牛顿在科学史上是一位划时代的人物，树立了一个里程碑。2 .发现万有引力定律的背景16世纪前亚里士多德的见解。1586年比利时力学家斯台文（S. Stevin, 1548-1620）的发现。伽利略的斜面实验和抛射体运动的研究。区分速度和加速度的概 念。开普勒探讨太阳驱动行星。1659年惠更斯由单摆摆动得圆周运动规律：向心加速度与速度平方成正比与距离成反比。（于1673年发表）。尸 y/R(1)1673年后英国科学家胡克(R. Hooke, 1635 1702) 哈雷 (E. Halley, 1656-1742)和雷恩(C. Wren, 16321723)讨论太阳 引力与行星距离关系。行星1和行星2据开普勒第三定律满足：42/ 7/ = 43/凡3(2)用行星的轨道速度为Vi = 2 JiR / Ti,V2=2 "&/ 乃，上式代入(1)得力/ 力=R / Ri T22/ T12(2)式代入上式得：力/力=R2/&2(3)(3)式表明：太阳引力与距离平方成反比。(1679)o3 .牛顿的研究(1)抛射体绕地球的运动(2)月球绕地球的运动V=2 JiR/ T“384400km,T=27. 32 天/ R =42r/。(4)j = 0.27 cm/s2月球处地球重力加速度Q,地面重力加速度为g：g/ ar1/ R2(5)g=981 cm / s2,r=6371 kma = 0. 27 cm / s2o(3)行星绕日运动的推广牛顿用流量和流数理论(即微积分)作计算，推导出太阳对行星的引力与行星离太阳的距离平方成反比。1685年用流量和流数理论证明等密度球层球体相当于质量集中于 质心。1687年出版自然哲学的数学原理(Philosophic Natural is Principia Mathematica),提出完整的万有引力定律。(4)太阳系天体的轨道证明在万有引力作用下，轨道是圆锥曲线。(5)论证并修正了开普勒行星运动定律Ti2(M+m) _ R i3T?2(M+/712)&3(6) 一些重要天文现象的解释(i)行星绕轴自转成为扁球体。(ii)岁差的成因。(iii)潮汐的成因。4.牛顿成就原因简析(1)异常勤奋，继承前人成果。牛顿说：“如果说我比笛卡尔看得远 一点，那是因为我站在巨人的肩上。”(2)科学的研究方法。继承培根(F. Bacon, 15611626)重视归 纳法的传统。二、万有引力定律的证实1 .哈雷彗星回归的预言1705年哈雷发表彗星天文学概论，以万有引力定律计算历史 上24颗彗星轨道。发现1682、1607、1531的彗星轨道根数几乎相同。 预言1758回归。2 .孤立大山的引力使铅垂线偏转1774年格林尼治天文台台长马斯基林(N.Maskelyne, 1732 1811)测苏格兰希哈里恩山南北纬度差。天文观测值为54.6，大 地测量为42.94。证实大山的引力使铅垂线偏转。3 .万有引力常数的测定万有引力定律的表达式为F=GMm/i21798年英国物理学家卡文迪许(H. Cavendish, 17311810) 通过扭秤实验求得Go4 .海王星的发现1781年由英国天文学家威廉赫歇尔(William Herschel, 1738 1822)发现了天王星。它的位置的理论值与观测值产生偏差。1845 年 9 月 J. C.亚当斯(J. C. Adams, 18191892)算出未 知行星轨道。先后向查利斯(J. Challis, 18031882)和艾里(G. B. Airy, 18011892)报告。1846 年 8 月法国勒威耶(U. J. J. Le Verrier, 18111877)发表 “论使天王星失常的行星，它的质量、轨道和现在位置的决定”。9 月写信给柏林天文台的伽勒(J. G. Galle, 18121910)。9月23日发 现。被命名为海王星。证实了哥白尼日心体系和万有引力定律。5 .对恒星暗伴星的预言和发现1834年贝塞尔(F.W. Bessel, 17841846)发现天狼星自行不是 直线，预言有伴星。1840年发现南河三亦然。1862年A.G.克拉克(A. G. Clark, 1832-1897)发现天狼星暗 伴星。1892年,舍伯尔(J. M. Schberle, 18531824)发现南河三暗 伴星。证实万有引力定律适用于恒星世界。
