第 4 章 万有引力定律及航天 第 3 节 人类对太空的不懈探索

星空如此迷人，周而复始，宁静永恒。人类观察星空，为了耕作，为了远行，为了信仰，为了探索大自然的奥秘。

1．古希腊人的探索

毕达哥拉斯（Pythagoras，约公元前 580—约前 500）从美学观念出发，认为宇宙中所有天体的形状都应该是球形。亚里士多德认为，地球在宇宙的中心静止不动，其他星体绕地球转动，这很好地解释了天体升落的现象。阿波罗尼奥斯（Apollonius，约公元前 262—前 190）认为行星沿某一圆周（本轮）运动，该圆周的圆心沿另一圆周（均轮）绕地球运动。因此，以地球为中心看行星时，行星会时而顺行，时而逆行，其亮度也会因与地球距离的改变而改变。

公元 140 年前后，托勒密（C. Ptolemaeus，约公元 90—168）对前人的观测成果和理论进行总结，提出了地心体系（图 4-22）。托勒密的地心体系可以解释已知天体的运动，在很长的历史时期人们都利用图 4-22 托勒密“地心说”模型示意图这一模型预测天体的位置。

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中国古代天象观测的成就

中国是天文学发展最早的国家之一。自远古始，人们就对天文现象进行观察，积累了丰富的天文学知识，形成了系统、独特的天文学体系。中国古代天文学在历法体系、天文观测等许多领域长期处于世界领先地位。

从甲骨文及古籍等记载看，我国在古代天象观测方面作出了相当的贡献。例如，殷代的甲骨文中记载的“七日己巳夕，有新大星并火”，是最早的关于新星的记录；《汉书·五行志》中记载的“日出黄，有黑气，大如钱，居日中央”，对太阳黑子的大小和位置等作了确切的描述；《春秋》记载的“秋七月，有星孛入于北斗”，已经把彗星视为天体。从春秋战国到清末，哈雷彗星出现多次，我国皆有详细记载。中国古代的星图在世界上也非常著名，唐代绘制的敦煌星图绘有 1 350 颗星，是世界上现存最早且星数最多的星图。我国古代对行星、恒星、流星雨等天象都有系统观测。

这些全面且独特的天文观测成果对世界天文学的发展起到了不可或缺的作用。

2．文艺复兴的撞击

16 世纪中期，文艺复兴的浪潮冲击了自中世纪以来长期禁锢人们思想的枷锁。

1543 年，波兰天文学家哥白尼临终时，向世人公开了他几十年来研究的成果《天体运行论》，正式提出了“日心说”（图 4-23）。哥白尼认为：太阳是宇宙的中心，水星、金星、地球、火星、木星及土星都绕太阳做匀速圆周运动，月球是地球的卫星。哥白尼的“日心说”可以简洁地描述行星运动，并能更清楚地解释诸多天文现象。

第谷·布拉赫（T. Brahe，1546—1601）是丹麦杰出的天文观测家。当时尚未发明望远镜，他通过自制的观测仪器（图 4-24）对星体进行认真系统的观测，使当时的测量误差从 10′ 降低到 2′。他的测量结果表明，托勒密与哥白尼的理论计算结果都与观测数据不相符。

开普勒研究了第谷连续 20 年的观测数据，希望进一步解释哥白尼的行星圆形轨道，却以失败而告终，因为他得到的结果与第谷的观测数据至少有 8′ 的误差。开普勒相信这不是第谷的粗心造成的，而是哥白尼的理论还需要进一步完善。从此，他开始研究行星的非匀速、非圆周运动。经过多年的埋头计算，开普勒最终发现了更为精确的行星运动规律，并先后提出了三大定律。

虽然哥白尼的理论受到了第谷、开普勒的挑战，但不可否认，他播下了科学革命的种子。亚里士多德认为地上和天上的物体是有区别的，而哥白尼则修正了地球静止不动的直觉观念，为牛顿统一天上与地上的物理学打下了基础。

3．牛顿的大综合

人们在研究天体怎样运动的同时，还在探索天体为什么会这样运动。亚里士多德认为，天体由“以太”元素组成，它们本来就应围绕地球做匀速圆周运动。到了开普勒时代，人们才开始寻找天体形成这种运动的动力学原因。开普勒认为，太阳的磁力使天体运动，并且天体所受太阳的磁力随距离的增加而减弱。笛卡儿认为，是“以太”运载着行星在巨大的旋涡中运行。胡克、哈雷等人则认为，天体受到遵循平方反比定律的向心力作用，才进行圆周运动。

牛顿在前人研究的基础上，运用开普勒行星运动定律和自己的研究成果，逐步建立了万有引力定律，并将主要研究成果写入他的著作《自然哲学的数学原理》（图 4-25）。他证明了物体围绕中心运动时需要向心力；由于物体沿椭圆轨道运动，向心力与质点到中心距离的平方成反比；沿轨道运行的每个质点既是被吸引的物体，也是具有吸引力的中心，继而推广到宇宙中的物体都在彼此吸引。牛顿将地球对物体的引力扩展到月球，认为地球引力与太阳对行星的作用力、行星对卫星的作用力是性质相同的力。在此基础上，牛顿最终给出了具有科学革命价值的万有引力定律。

牛顿的万有引力定律是物理学的第一次大综合，它将地上的力学与天上的力学统一起来，形成了以牛顿三大运动定律为基础的力学体系。

4．人类“飞天”梦的实现

在牛顿力学的基础上，人类对太空的探索取得了丰硕的成果，实现了自古便有的“飞天”梦。

1957 年 10 月 4 日，苏联的人造地球卫星上天，震惊了世界。我国在 1970 年发射了第一颗人造地球卫星 “东方红一号”（图 4-26），成为世界上第五个发射人造地球卫星的国家。

1961 年 4 月 12 日，世界上第一艘载人宇宙飞船发射升空，苏联宇航员加加林（图 4-27）成功完成了人类第一次环绕地球的飞行。

1969 年 7 月 20 日，美国的“阿波罗十一号”宇宙飞船将人类送上了月球。当时，上亿人通过电视注视着走出登月舱的阿姆斯特朗。他在月球上迈出的一小步，却是人类迈出的一大步，实现了人类的“飞天”梦。

1971 年 4 月 19 日，苏联“礼炮一号”空间站成为人类进入太空的第一个空间站。

1971 年 12 月 2 日，苏联“火星三号”探测器在火星表面着陆。

1981 年 4 月 12 日，美国的第一架航天飞机“哥伦比亚号”成功发射。目前，科学家正在研究一种新型的航天器——空天飞机。

2003 年 10 月 15 日，“神舟五号”载人飞船成功发射，中国成为世界上第三个独立掌握载人航天技术的国家。

虽然人类已登上月球，但还没有在除地球外的任何行星上留下脚印。若实现登陆火星，又将是人类宇宙探索史上的一大里程碑。

……

在人类探索太空的过程中，有不少先驱者献出了宝贵的生命。然而，他们的精神却激励着人们对太空坚持不懈地探索！

素养提升

能认识发现万有引力定律的过程及重要意义，认识科学定律对人类探索未知世界的作用；知道科学包含大胆的想象和创新；有探索太空、了解太空的兴趣，能为牛顿力学对航天技术发展的重大贡献而振奋。

——科学态度与责任

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嫦娥工程

2004 年，我国正式开展月球探测工程，并命名为“嫦娥工程”。探月卫星“嫦娥一号”“嫦娥二号”已完成“绕”的任务。卫星绕月运行，获得了月球表面影像、有关物质元素分布等数据。“嫦娥三号”携“玉兔号”月球车成功实现月球软着陆，并开展月面巡视勘察以及月表形貌与地质构造调查等科学探测，实现了“落”的任务。2019 年 1 月，“嫦娥四号”探测器成功着陆月球背面南极—艾特肯盆地（图 4-28），完成了“人类探测器首次实现月球背面软着陆”的壮举。

节练习

1．查阅资料，了解空间站中宇航员的衣食住行，并写一篇报告。

*2．2013 年 6 月 20 日，“神舟十号”航天员在“天宫一号”上开展了别开生面的太空授课，为我国青少年讲解并演示失重环境下的基础物理实验。请观看太空授课的视频，尝试设计一种在宇宙飞船上失重条件下的实验方案，并与同学交流。

发布时间：2022/1/25 下午5:12:37  阅读次数：1356