广义相对论GeneralRelativity优秀PPT.ppt
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1、天文学导论天文学导论I I:天文学基础天文学基础第1讲 天文学发展史第2讲 光与天文望远镜第3讲 天体的视运动天文学导论天文学导论第第1 1讲讲天文学发展史天文学发展史本讲内容本讲内容中国古代天文学成就(简介)古希腊天文学文艺复兴时期的天文学哥白尼、开普勒、第谷和伽利略牛顿的万有引力定律爱因斯坦的相对论标注*的为自学内容引言:中国古代天文学成就引言:中国古代天文学成就星座(星宿、星宫)赤道坐标系太阳黑子:公元前140年,欧洲(807年)日食:约4000年前,650次(春秋战国-元末1368年)彗星、流星和陨石新星和超新星“夏商周断代工程”与古代天文探讨古代天文仪器张衡、祖冲之、一行、沈括、郭守
2、敬等1 1。古希腊天文学。古希腊天文学从亚里斯多德到托勒密的地球中心学说古希腊人首先接受观测和模型试图说明宇宙内在的逻辑性和系统性古希腊是现代科学的发源地毕达哥拉斯的宇宙观毕达哥拉斯的宇宙观Pythagorean(569-475 B.C.)总结出关于天体运动的3个常识:同心圆轨道:行星、太阳、月亮和恒星都在完备的同心圆轨道上运动匀速圆周运动:行星、太阳、月亮和恒星都在作匀速圆周运动地球中心:地球处于全部天体运动的正中心行星的运动难题行星的运动难题相对于背景恒星,行星为什么是“流浪汉”?(需数月观测)1.顺行:向东2.逆行:向西3.逆行时行星变亮柏拉图的家庭作业试图对行星的运动做出几何说明,特殊
3、是“诡异”的逆行和亮度变更柏拉图和他的学生自然受毕达哥拉斯思想的指引,所以无论接受什么模型,地球应是行星运动的静止中心柏拉图Plato(427-347 B.C.):苏格拉地 Socrates(470-399 B.C.)的学生萨摩斯岛的亚利斯塔克萨摩斯岛的亚利斯塔克Samos 萨摩斯岛的Aristarchus(亚利斯塔克,310-230 BC,柏拉图的学生?)违反了常理,提出了太阳中心说。早在亚利斯塔克之前,?Philolaus:地球围绕中心火(太阳)运动由于观测不支持地球在运动,他的模型当时是不被接受的。而且由于根深蒂固的亚里士多得体系和人的常识,这个理论并未活得太久,很快被遗忘,西方思想几乎
4、2000年停滞不前,直到哥白尼使它复活科学鼻祖:科学鼻祖:亚里斯多德亚里斯多德Aristotle(384-322 B.C.),柏拉图的学生可能是历史上对多个学科(科学,神学,哲学等等)最具影响力的人物他的思想不行挑战长达几乎2000年之久,直到伽利略试验证明物体的运动不会变更除非对物体施加了作用力()亚里斯多德:地球中心学说天体镶嵌在55个转动速度不同的同心水晶球上,每个球层作匀速圆周运动,地球处于中心“原动力”使最外层天球匀速转动,并一层一层向内传递,导致全部天体的转动亚里斯多德学说不能说明行星的逆行!通过调整同心球层的速度,行星运动的很多特征都可得到说明但照旧不能说明夜空中行星的逆行和亮度
5、变更两类奇异构思:地球并不位于行星运动轨道的中心轨道中嵌套着轨道:本轮和均轮本轮 Epicycles 说明行星逆行与变亮行星不是固定在同心球层(均轮)上,而是固定在本轮上,但是本轮固定在同心球层上本轮中心和本轮即行星均沿同一方向作匀速圆周运动本轮本轮均轮均轮须要多个本轮在某些状况下,本轮套本轮实际模型:本轮中心作匀速圆周运动,但不围绕均轮的中心,其围绕中心偏离均轮的中心Ptolemys Geocentric Universe 托勒密的地球中心学说提出完备的以地球为中心的宇宙论宇宙论的长梯的第一阶说明行星的逆行和亮度变更,且照旧维持全部天体的运动都是匀速圆周运动天体是完备的,内禀特征(如亮度)不
6、变地球是宇宙的中心Ptolemy 85-165 C.E.行星皆以本轮的轨迹运动,而本轮中心依附均轮的大正圆绕地球转动水星、金星的本轮中心和地球及太阳的中心恒久连成一条直线众星则依附在一个最外层的大天球上西方思想停滞的中世纪西方思想停滞的中世纪Ptolemy 于公元150年在长达13卷名为Almagest(The Greatest)”的巨著中发表了他的地球中心说这个理论所预料的行星位置和实际位置的误差在数度之内,因此主宰西方世界约1500年之久!阿拉伯伊斯兰文明兴起2。文艺复兴时期的天文学。文艺复兴时期的天文学哥白尼:太阳中心说,革命的起点(首次揭示真实)第谷(布拉赫):杰出的观测 开普勒:行星
7、运动定律;理论直觉伽利略:第一个运用望远镜进行天文观测(1609);运动学定律Copernicuss heliocentric universe哥白尼的太阳中心学说Nicolai Copernicus1473-1543 Poland对行星运动的简洁说明亮度变更:行星到地球的距离在变更逆行:几何+小轨道行星的转动快哥白尼的成败哥白尼的成败亚里斯多德体系的3个主要错误观点:1。中心;2。运动;3。物质。哥白尼挑战了1,但没有挑战2,且隐含了3革命掉地球是太阳系的中心但仍假设匀速圆周运动(行星轨道事实上是椭圆)仍不能说明行星运动的细微环节 须要本轮,但与托勒密体系相比,因为太阳在中心,所以大多数情形
8、只需很少的本轮哥白尼的太阳中心说可能不是新的(原创)!早在公元前200年,萨摩斯岛的亚利斯塔克就提出了太阳中心说由于托勒密体系是教堂根深蒂固的教条,而且日心说预料天体运动的精确性和地心说不前不后,所以并不为当时的人普遍接受胆怯讪笑讽刺,胆怯失去贵族和教堂的宠爱,哥白尼临终时才发表它的学说这个牵强的革命却拉开了现代天文学发展的序幕。建立在此基础上,Kepler,Galileo,and Newton 的工作彻底摧毁了Aristotle 思想体系发Uraniburg 第谷第谷 布拉赫布拉赫(Tycho Brahe 1546-1601)的杰出观测的杰出观测 丹麦贵族 受宠,天文堡 决斗 失宠,1588
9、,布拉格,与 开普勒(因斗争)宏大会见 礼节第谷 布拉赫的重要天文贡献在望远镜独创之前,做了最好的天文仪器和最精确的观测对行星特殊是火星的观测为后来的天文学家如开普勒建立正确的太阳系模型供应了至关重要的数据1552发觉一颗超新星,现为第谷超新星(遗迹);1577发觉一颗彗星恒星视差;不能很好理解自己所得观测数据的意义曾提出流行一时的太阳系模型:地球为中心,太阳绕地球转,但行星绕太阳转开普勒 Johannes Kepler(1571-1630)行星运动定律(理论直觉)生于德国,贫困多病,聪慧,奖学金,路德教会任职;学习哥白尼学说 为躲避30年斗争,移居布拉格,成为布拉赫的助手利用完备的火星数据,
10、于1605发觉行星运动定律(1609发表)。四处奔波,提高预言行星位置的精度,被观测证明开普勒第确定律:轨道形态开普勒第确定律:轨道形态全部行星皆以椭圆轨道环绕太阳运行,而太阳位于椭圆的一个焦点上在地球绕太阳公转过程中,地月距离连续变更 perihelion 近日点 aphelion 远日点开普勒其次定律:速度开普勒其次定律:速度行星和太阳的(假想)连线在相同的时间内扫过相等的面积 行星越接近太阳则运行速度越快 近日点,运动最快 远日点,运动最慢开普勒第三定律:周期开普勒第三定律:周期行星公转周期的平方和其与太阳的平均距离的立方成正比 (公转周期)2=(常数)x(平均距离)3 公式中的常数适用
11、于行星以及一切环绕太阳运动的人造或自然物体以地球取代太阳,例如探讨月球或地球人造卫星时,此常数不同P2 R3:公转周期平方之比等于半长轴立方之比轨道半长轴越大,则公转周期越大距太阳最近的水星(Mercury)绕太阳一周仅需88天冥王星(Pluto)公转周期248年SaturnJupiterMarsEarthVenusMercury土星土星 木星木星 火星火星 地球地球 金星金星 水星水星开普勒揣测:太阳对行星的磁吸引开普勒三定律适用于由于引力而造成的绕任何物体转动的任何物体的轨道运动伽利略:望远镜与运动学定律Galileo Galilei(1564-1642)意大利天文学家与物理学家(现代天文
12、学和物理学之父?)供应了证明哥白尼假说至关重要的观测奠定了正确理解物体在地球表面运动的动力学和引力的基础望远镜不是伽利略独创的,荷兰商人独创了望远镜(作为海军的望远工具)伽利略是第一个(1609年)运用望远镜观测天空的人,首次利用仪器增加人类的天文观测实力伽利略与望远镜伽利略的主要天文发觉伽利略的主要天文发觉月球上有山脉地形,有陨坑,命名环形山太阳黑子,且运动 太阳自转这两个发觉证明天空并非完备绕木星旋转的4颗卫星(现称为伽利略卫星),表明宇宙有其它“中心”,地球不是唯一的转动中心金星亦有盈亏(月相),证明它必绕太阳运行,而不是本轮。因此支持哥白尼体系,否定托勒密体系伽利略的落体试验距离与时间
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