開普勒是怎樣發現三大定律的（在當時的條件下）

1樓：匿名使用者

一、開普勒行星運動的三大定律

開普勒定律是德國天文學家開普勒提出的關於行星運動的三大定律。第一和第二定律發表於2023年，是開普勒從天文學家第谷觀測火星位置所得資料中總結出來的；第三定律發表於2023年。這三大定律又分別稱為橢圓定律、面積定律和調和定律。

二、開普勒發現三大定律的過程

2023年，第谷逝世。約翰·開普勒接替了第谷的工作，開始編制魯道夫星表。但開普勒的興趣和注意力卻更多的放在改進和完善哥白尼的日心說上，在**行星軌道性質的研究上。

他發現第谷的觀測資料，與哥白尼體系、托勒密體系都不符合。他決心尋找這種不一致的原因和行星執行的真實軌道。

最初的研究從觀測與理論差異突出的火星著手。他運用傳統的勻速圓周運動加偏心圓來計算，均遭到失敗。經過長達4年近70次各種行星軌道形狀設計方案的計算，開普勒認識到哥白尼體系的勻速圓周運動和偏心圓的軌道模式與火星的實際運動軌道不符。

於是他大膽的拋棄了統治人類思想達2023年之久的「勻速圓周運動」偏見，嘗試用別的幾何曲線來表示火星軌道的形狀。他認為行星運動軌道的焦點應該在產生引力中心的太陽上，並進而斷定火星運動的線速度不是勻速的，近太陽時快些，遠太陽時慢些並得出結論：太陽至火星的直徑在一天內掃過的面積是相等的。

開普勒把這結論推廣到其他行星上，結果也是與觀測資料相符。就這樣，他首先得到了行星執行的等面積定律。隨後他發現火星執行的軌道不是正圓，而是焦點位於太陽上的橢圓，他把這結論應用於其他行星也是適用的。

於是他又得到了行星執行的橢圓軌道定律。這兩條定律發表在他2023年出版的《新天文學》一書上。但他對自已取得的成就還不滿足。

他渴望找到一種能適合所有行星的總體模式，把各行星聯絡在一起。他堅信存在著一個把全體行星完整地聯絡在一起的簡單法則。

在這個信念鼓舞下，開普勒忍受著個人在家庭方面遭受的巨大不幸，在很少有人瞭解和支援的困難條件下，經過九年的反覆計算和假設，終於在2023年找到在大量觀測資料後面隱匿的數的和諧性：行星公轉週期的平方與它們到太陽的平均距離的立方成正比。這就是週期定律。

2023年，他在《宇宙的和諧》一書中介紹了第三定律，他情不自禁地寫道："認識到這一真理，這是超出我的最美好的期望的。大局已定，這本書是寫出來了，可能當代有人閱讀，也可能是供後人閱讀的。

它很可能要等一個世紀才有信奉者一樣，這一點我不管了。"

開普勒的三定律是天文學的又一次革命，它徹底摧毀了托勒密繁雜的本輪宇宙體系，完善和簡化了哥白尼的日心宇宙體系。開普勒對天文學最大的貢獻在於他試圖建立天體動力學，從物理基礎上解釋太陽系結構的動力學原因。雖然他提出有關太陽發出的磁力驅使行星作軌道運動的觀點是錯誤的。

但它對後人尋找出太陽系結構的奧祕具有重大的啟發意義，為經典力學的建立、牛頓的萬有引力定律的發現，都作出重要的提示。

被稱為「星子之王」的第谷·布拉赫在天體觀測方面獲得不少成就，死後留下20多年的觀測資料和一份精密星表。他的助手開普勒利用了這些觀測資料和星表，進行新星表編制。然而工作伊始便遇到了困難，按照正圓軌道來編制火星執行表一直行不通，火星這個「狡猾傢伙」總不聽指揮，老愛越軌。

經過一次次分析計算，開普勒發現，如果火星軌道不是正圓，而是橢圓，那麼矛盾不就煙消雲散了嗎。經過長期細緻而複雜計算以後，他終於發現：行星在通過太陽的平面內沿橢圓軌道執行，太陽位於橢圓的一個焦點上。

這就是行星運動第一定律，又叫「軌道定律」。

當開普勒繼續研究時，「詭譎多端」的火星又將他騙了。原來，開普勒和前人都把行星運動當作等速來研究的。他按照這一方法苦苦計算了1年，卻仍得不到結果。

後來他發現，在橢圓軌道上執行的行星速度不是常數，而是在相等時間內，行星與太陽的連線所掃過的面積相等。這就是行星運動第二定律，又叫「面積定律」。

開普勒又經過9年努力，找到了行星運動第三定律：太陽系內所有行星公轉週期的平方同行星軌道半長徑的立方之比為一常數，這一定律也叫「調和定律」。

2樓：匿名使用者

對火星軌道的研究是開普勒重新研究天體運動的起點。在第谷遺留下來的資料資料中，火星的資料是最豐富的，而哥白尼的理論在火星軌道上的偏離也是最大的。開始，開普勒用正圓編制火星的執行表，發現火星老是出軌。

他便將正圓改為偏心圓。在進行了無數次的試驗後，他找到了與事實較為符合的方案。可是，依照這個方法來**衛星的位置，卻跟第谷的資料不符，產生了8分的誤差。

這8分的誤差相當於秒針0.02秒瞬間轉過的角度。開普勒知道第谷的實驗資料是可信的，那錯誤出在什麼地方呢？

正是這個不容忽略的8分使開普勒走上了天文學改革的道路。他敏感的意識到火星的軌道並不是一個圓周。隨後，在進行了多次實驗後，開普勒將火星軌道確定為橢圓，並用三角定點法測出地球的軌道也是橢圓，斷定它運動的線速度跟它與太陽的距離有關。

經過長期繁複的計算和無數次失敗，他終於發現了行星運動的三條定律：

1. 所有行星圍繞太陽運動的軌道都是橢圓，太陽處在橢圓的一個焦點上；

2. 行星的向徑在相等的時間內掃過相等的面積（圖4-8）。

3. 所有行星軌道半長軸的三次方跟公轉週期的二次方的比值都相等，即行星運動三定律的發現為經典天文學奠定了基石，並導致數十年後萬有引力定律的發現。