行星
的运动
虚拟现实课堂
本节内容主要介绍了人类历史上发现行星运动规律的一个过程。由于行星运动抽象、无法感知，学生在理解行星的运动规律上会存在障碍，本节借助矩道物理VR/3D虚拟仿真实验室，辅助老师进行物理模型建构，仿真模拟天体运动的逼真场景，让学生在交互性、场景化、沉浸式教学中完成知识的探索。
地心说
01
克罗狄斯·托勒密
(约90年—168年)
希腊数学家，天文学家，地理学家和占星家。“地心说”的集大成者。
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。
日心说
02
尼古拉·哥白尼
(1473—1543年)
文艺复兴时期波兰天文学家、数学家、教会法博士、神父。创立日心说，开创现代天文学。
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。
开普勒行星运动定律
03
约翰尼斯·开普勒
(1572—1630年)
德国天文学家、物理学家、数学家。开普勒发现了行星运动三大定律，分别是轨道定律、面积定律和周期定律。
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 所有行星绕太阳运动的轨道都是椭圆，太阳处在椭圆的一个焦点上。
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 对任意一个行星来说，它与太阳的连线在相等的时间内扫过的面积相等。
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。
开普勒第三定律 所有行星轨道的半长轴的三次方跟它的公转周期的二次方的比都相等。
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。
开普勒三个行星运动定律是一个整体，它对行星运动规律的描述有一个从定性到定量的过程，开普勒第一定律是其余两个定律的基础。但三个定律描述的内容又是各自独立的，并不重复。
从表面上看，日心说与地心说不过是参考系的改变。其实，这是一次真正的科学革命，因为它使人们的世界观发生了重大变革。宇宙中心的转变暗示了宇宙可能根本没有中心！
END
