物理虚拟现实课堂——行星的运动

行星

的运动

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当我们远古的祖先惊叹星空的玄妙时，他们就开始试图破译日月星辰等天文现象的奥秘。那时的人们认为，地球是静止不动的，太阳、月球和星星从头上飞过，地球是宇宙的中心。

古代中国人认为天像一口锅，倒扣在地上;地像一个方形的棋盘，是平的

我们的祖先发现，尽管所有星辰每日都要东升西落，但绝大多数星星的相互位置都几乎是固定的，它们是“恒星”。然而，水星、金星、火星、木星、土星这五颗亮星则在众星的背景前移动，有的在几个星期中就能发现它的位置变化，所以它们叫作“行星”。

细心的观察表明，行星并非总向一个方向移动。大多数时间它相对于恒星由西向东移动，但有时却要停下来，然后向西移动一段时间，随后又向东移动，这个现象叫作行星的逆行。

为了解释行星的逆行，古希腊人提出一个理论。这个理论认为每个行星都沿着圆运动，这个圆叫作“本轮”，同时本轮的圆心又环绕着地球沿一个叫作“均轮”的大圆运动。这个理论在公元 2 世纪由伟大的古代天文学家托勒密完善而成。

16世纪，文艺复兴带来的思想与艺术的繁荣在意大利萌发并已扩展到全欧洲。波兰天文学家哥白尼在临终前出版《天体运行论》，提出“日心说”，有力地打破了长期以来居于宗教统治地位的“地心说”，实现了天文学的根本变革。

哥白尼采取了比前人更广阔的视角来洞察自然。他把地球看成空间的一个物体，一个与其他天体相似的物体。他提出，行星和地球绕太阳做匀速圆周运动，只有月球环绕地球运行。由于地球的自转，我们看到了太阳、月球和众星每天由东向西的运动。这个理论也解释了行星逆行等许多现象。

到了 17 世纪初，伽利略用望远镜观测到了围绕木星转动的“月球”，进一步表明地球不是所有天体运动的中心。而之后第谷对于行星位置长期的观测数据为哥白尼的学说提供了关键性的支持。

德国天文学家开普勒用 20 年的时间研究了第谷的行星观测记录，发现如果假设行星的运动是匀速圆周运动，计算所得的数据与观测数据不符；只有假设行星绕太阳运动的轨道不是圆，而是椭圆，才能解释这种差别。他还发现了行星运动的其他规律。开普勒分别于 1609 年和1619 年发表了他发现的下列规律，后人称为开普勒行星运动定律。

开普勒第一定律告诉我们：行星绕太阳运行的轨道严格来说不是圆而是椭圆 ；太阳不在椭圆的中心，而是在其中一个焦点上 ；行星与太阳间的距离是不断变化的。

开普勒第二定律告诉我们：当行星离太阳较近的时候，运行的速度较大，而离太阳较远的时候速度较小。

若用 a 代表椭圆轨道的半长轴，T 代表公转周期，开普勒第三定律告诉我们

比值 k 是一个对所有行星都相同的常量。