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開普勒定律是行星繞太陽公轉(zhuǎn)所遵循的定律，由德國天文學家開普勒在1609～1619年先后提出。這些定律奠定了行星運動學的基礎(chǔ)，并指導了牛頓萬有引力定律的研究。 開普勒定律分為開普勒第一定律、開普勒第二定律和開普勒第三定律。第一定律指出行星繞太陽運動的軌道是橢圓而不是圓，太陽位于橢圓的一個焦點上。第二定律指出行星沿橢圓軌道運動時，在相等的時間內(nèi)經(jīng)過的弧長不相等，近日點時經(jīng)過的弧長最短，遠日點時經(jīng)過的弧長最長。第三定律指出行星繞太陽運動的公轉(zhuǎn)周期與其橢圓軌道半長軸的立方成正比，即T2/a3=常量。 開普勒定律的發(fā)現(xiàn)對天文學和物理學具有重要意義，它們?yōu)檠芯啃行沁\動提供了基礎(chǔ)，同時也為牛頓萬有引力定律的發(fā)現(xiàn)奠定了基礎(chǔ)。開普勒定律
行星繞太陽公轉(zhuǎn)遵循的定律
基本信息
簡介
開普勒定律是開普勒發(fā)現(xiàn)的關(guān)于行星運動的定律。他于1609年在他出版的《新天文學》上發(fā)表了關(guān)于行星運動的兩條定律，又于1618年，發(fā)現(xiàn)了第三條定律。
開普勒很幸運地能夠得到，著名的丹麥天文學家第谷·布拉赫所觀察與收集的，非常精確的天文資料。大約于1605年，根據(jù)布拉赫的行星位置資料，開普勒發(fā)現(xiàn)行星的移動遵守三條相當簡單的定律。
開普勒的定律給予亞里士多德派與托勒密派在天文學與物理學上極大的挑戰(zhàn)。他主張地球是不斷地移動的；行星軌道不是周轉(zhuǎn)圓(epicycle的，而是橢圓形的；行星公轉(zhuǎn)的速度不等恒。這些論點，大大地動搖了當時的天文學與物理學。經(jīng)過了幾乎一世紀披星戴月，廢寢忘食的研究，物理學家終于能夠用物理理論解釋其中的道理。牛頓利用他的第二定律和萬有引力定律，在數(shù)學上嚴格地證明開普勒定律，也讓人們了解其中的物理意義。
這一定律實際揭示了行星繞太陽公轉(zhuǎn)的角動量守恒。用公式表示為
由這一定律不難導出：行星與太陽之間的引力與半徑的平方成反比。這是牛頓的萬有引力定律的一個重要基礎(chǔ)。
用公式表示為
這里，是行星公轉(zhuǎn)軌道半長軸，是行星公轉(zhuǎn)周期，是常數(shù)。
數(shù)學引導
開普勒定律是關(guān)于行星環(huán)繞太陽的運動，而牛頓定律更廣義的是關(guān)于幾個粒子因萬有引力相互吸引而產(chǎn)生的運動。在只有兩個粒子，其中一個粒子超輕于另外一個粒子，這些特別狀況下，輕的粒子會環(huán)繞重的粒子移動，就好似行星根據(jù)開普勒定律環(huán)繞太陽的移動。然而牛頓定律還容許其它解答，行星軌道可以呈拋物線運動或雙曲線運動。這是開普勒定律無法預測到的。在一個粒子并不超輕于另外一個粒子的狀況下，依照廣義二體問題的解答，每一個粒子環(huán)繞它們的共同質(zhì)心移動。這也是開普勒定律無法預測到的。
開普勒定律，或者是用幾何語言，或者是用方程，將行星的坐標及時間跟軌道參數(shù)相連結(jié)。牛頓第二定律是一個微分方程。開普勒定律的導引涉及解微分方程的藝術(shù)。我們會先導引開普勒第二定律，因為開普勒第一定律的導引必須建立于開普勒第二定律。
數(shù)學證明
開普勒第一定律的證明
行星受太陽引力為F=-(GMm/r)r°
首先證明行星一定在同一平面內(nèi)運動，有牛頓第二定律：F=m(dv/dt)
力矩r×F=-(GMm/r)r°×r°=0.即r×(dv/dt)=0。
d(r×v)/dt=×v+r×dv/dt=0。
積分，得r×v=h(常矢量)
，取靜止的太陽為極點o，行星位置為(r,α).在平面 極坐標中，行星運動有關(guān)物理量如下：
徑行r=ｒ﹒r° ；速度ｖ=ｄr/ｄt=(ｄr/ｄt)﹒ｒ°+r﹒(dα/dt)﹒α°
ｒ°是徑向單位矢量，α°為徑向垂直單位矢量。
速度大小滿足v2=(ｄr/ｄt)2+( r﹒(dα/dt))2
動量mv=m(ｄr/ｄt)+m( r﹒(dα/dt))
角動量L=r×mv=m?r2(dα/dt)?(r°×α°)
得L=m?r 2?(dα/dt)
E=?mv2-GMm/r
因 α/dt=L/mv2 ｄr/ｄt= (L/mv2)(dr/dα)代入上式
(L2/m2r2r2)(dr/dα)2+ L2/m2r=2E/m+2GM/r
上邊兩式同乘m2/ L2，得
dr2/dα2r2r2+1/r2=2mE/L2+2Mm2/L2r
為了簡化式子，令ρ=1/r.則dr/dα=-r2(dρ/dα)
于是方程變?yōu)椋╠r/dα）2+ρ2-2Gm2Mρ/L2=2mE/L2
2（dr/dα）（d2r/dα2）+2ρ(dρ/dα)
開普勒第二定律的證明
開普勒第二定律是這么說的：在相等的時間內(nèi)，行星與恒星的連線掃過的面積相等。O為恒星，直線AC為行星不受引力時的軌跡。設(shè)行星從A到B、從B到C所用的時間間隔Δt相等，A處的時刻為t1，B為t2，C為t3。現(xiàn)在假設(shè)行星不受O的引力作用，那么這時掃過的面積SΔABO和SΔBCO相等（等底同高）。現(xiàn)在行星受到引力作用了，因為引力的方向時刻指向恒星，所以在從t1到t3這段時間里，行星所受的引力的方向的總效果應該沿著BO方向（這需要一點向量的知識）。因此，t3時刻行星的位置C’應該由兩個向量相加而得到：向量AC+向量CC’（作CC’平行于BO，因此沿BO方向的向量等價于CC’）。這樣，SΔBCO=SΔBC’O(同底等高)。因此，SΔBC’O=SΔABO。因為Δt是任取的，所以在相等的時間內(nèi)，行星與恒星的連線掃過的面積相等。
開普勒第三定律的證明
在圖中，A，B分別為行星運動的近日點和遠日點，以Va和Vb分別表示行星在該點的速度，由于速度沿軌道切線方向，可見Va和Vb的方向均與此橢圓的長軸垂直，則行星在此兩點時對應的面積速度分別為
SA=1/2rAvA=1/2(a-c)vA……………………………………{1}
sB=1/2rBvB=1/2(a+c)vB
根據(jù)開普勒第二定律，應有SA=SB，因此得
vB=[(a-c)/(a=c)]vA……………………………………………{2}
行星運動的總機械能E等于其動能與勢能之和，則當他經(jīng)過近日點和遠日點時，其機械能應分別為
EA=1/2m(vA)^2-(GMm)/rA=1/2m(vA)^2-(GMm)/(a-c)…………{3}
Eb=1/2m(Vb)^2-(GMm)/rB=1/2m(vB)^2-(GMm)/(a+c)
根據(jù)機械能守恒，應有EA=EB，故得
1/2m[（vA）^2-(vB)^2]=GMm[1/(a-c)-1/(a+c)]……………………{4}
由{2}{4}兩式可解得
（vA）^2={(a+c)GM}/{a(a-c)}………………………………{5}
（vAB）^2={(a-c)GM}/{a(a+c)}
由{5}式和{1}式得面積速度為
SA=SB=S=（b/2）√[(GM)/a]
橢圓的面積為( 兀ab ) ,則得此行星運動周期為
T=（兀ab）/S=2兀a√a/(GM)…………………………{6}
將{6}式兩邊平方，便得
(a)^3/(T)^2=(GM)/4（兀）^2
發(fā)現(xiàn)過程
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，死后留下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運行表一直行不通，火星這個“狡猾家伙”總不聽指揮，老愛越軌。經(jīng)過一次次分析計算，開普勒發(fā)現(xiàn)，如果火星軌道不是正圓，而是橢圓，那么矛盾不就煙消云散了嗎。經(jīng)過長期細致而復雜計算以后，他終于發(fā)現(xiàn)：行星在通過太陽的平面內(nèi)沿橢圓軌道運行，太陽位于橢圓的一個焦點上。這就是行星運動第一定律，又叫“軌道定律”。
當開普勒繼續(xù)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(jié)果。后來他發(fā)現(xiàn)，在橢圓軌道上運行的行星速度不是常數(shù)，而是在相等時間內(nèi)，行星與太陽的聯(lián)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”。
定律意義
首先，開普勒定律在科學思想上表現(xiàn)出無比勇敢的創(chuàng)造精神。遠在哥白尼創(chuàng)立日心宇宙體系之前，許多學者對于天動地靜的觀念就提出過不同見解。但對天體遵循完美的均勻圓周運動這一觀念，從未有人敢懷疑。開普勒卻毅然否定了它。這是個非常大膽的創(chuàng)見。哥白尼知道幾個圓合并起來就可以產(chǎn)生橢圓，但他從來沒有用橢圓來描述過天體的軌道。正如開普勒所說，“哥白尼沒有覺察到他伸手可得的財富”。
其次，開普勒定律徹底摧毀了托勒密的本輪系，把哥白尼體系從本輪的桎梏下解放出來，為它帶來充分的完整和嚴謹。哥白尼拋棄古希臘人的一個先入之見，即天與地的本質(zhì)差別，獲得一個簡單得多的體系。但它仍須用三十幾個圓周來解釋天體的表觀運動。開普勒卻找到最簡單的世界體系，只用七個橢圓說就全部解決了。從此，不須再借助任何本輪和偏心圓就能簡單而精確地推算行星的運動。
第三，開普勒定律使人們對行星運動的認識得到明晰概念。它證明行星世界是一個勻稱的（即開普勒所說的“和諧”）系統(tǒng)。這個系統(tǒng)的中心天體是太陽，受來自太陽的某種統(tǒng)一力量所支配。太陽位于每個行星軌道的焦點之一。行星公轉(zhuǎn)周期決定于各個行星與太陽的距離，與質(zhì)量無關(guān)。而在哥白尼體系中，太陽雖然居于宇宙“中心”，卻并不扮演這個角色，因為沒有一個行星的軌道中心是同太陽相重合的。
由于利用前人進行的科學實驗和記錄下來的數(shù)據(jù)而作出科學發(fā)現(xiàn)，在科學史上是不少的。但像行星運動定律的發(fā)現(xiàn)那樣，從第谷的20余年辛勤觀測到開普勒長期的精心推算，道路如此艱難，成果如此輝煌的科學合作，則是罕見的。這一切都是在沒有望遠鏡的條件下得到的！
定律
1601年，第谷逝世。約翰·開普勒接替了第谷的工作，開始編制魯?shù)婪蛐潜?/a>。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，在探討行星軌道性質(zhì)的研究上。他發(fā)現(xiàn)第谷的觀測數(shù)據(jù)，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運行的真實軌道。
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(tǒng)的勻速圓周運動加偏心圓來計算，均遭到失敗。經(jīng)過長達4年近70次各種行星軌道形狀設(shè)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。于是他大膽的拋棄了統(tǒng)治人類思想達2000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(chǎn)生引力中心的太陽上，并進而斷定火星運動的線速度不是勻速的，近太陽時快些，遠太陽時慢些并得出結(jié)論：太陽至火星的直徑在一天內(nèi)掃過的面積是相等的。
開普勒把這結(jié)論推廣到其他行星上，結(jié)果也是與觀測數(shù)據(jù)相符。就這樣，他首先得到了行星運行的等面積定律。隨后他發(fā)現(xiàn)火星運行的軌道不是正圓，而是焦點位于太陽上的橢圓，他把這結(jié)論應用于其他行星也是適用的。于是他又得到了行星運行的橢圓軌道定律。這兩條定律發(fā)表在他1609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(lián)系在一起。他堅信存在著一個把全體行星完整地聯(lián)系在一起的簡單法則。
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，在很少有人了解和支持的困難條件下，經(jīng)過九年的反復計算和假設(shè)，終于在1618年找到在大量觀測數(shù)據(jù)后面隱匿的數(shù)的和諧性：行星公轉(zhuǎn)周期的平方與它們到太陽的平均距離的立方成正比。這就是周期定律。1619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，也可能是供后人閱讀的。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于他試圖建立天體動力學，從物理基礎(chǔ)上解釋太陽系結(jié)構(gòu)的動力學原因。雖然他提出有關(guān)太陽發(fā)出的磁力驅(qū)使行星作軌道運動的觀點是錯誤的。但它對后人尋找出太陽系結(jié)構(gòu)的奧秘具有重大的啟發(fā)意義，為經(jīng)典力學的建立、牛頓的萬有引力定律的發(fā)現(xiàn)，都作出重要的提示。
行星軌道
太陽是宇宙的中心，地球和其他行星一樣繞太陽公轉(zhuǎn)，16世紀天文學家哥白尼以其大膽的洞察力，提出了太陽系這一引領(lǐng)時代的全新理論，從而帶來了一場科技革命。但是直到半個世紀后，德國數(shù)學家開普勒利用丹麥天文學家布第谷·布拉赫提供的觀察數(shù)據(jù)，才繪制出了第一張精確的太陽系地圖。開普勒的辛勞鞏固了哥白尼的理論。他孤軍奮戰(zhàn)，終于用第谷·布拉赫的觀察數(shù)據(jù)，準確闡述了行星的運動。在有生之年，他的成就沒有得到承認，但他的洞察力仍然是現(xiàn)代宇宙理論的基礎(chǔ)。
適用范圍
開普勒第二定律
也就是說，開普勒第二定律及其引出的推論，不僅適用繞太陽運轉(zhuǎn)的所有行星，也適用于以行星為中心的衛(wèi)星，還適用于單顆行星或衛(wèi)星沿橢圓軌道運行的情況。
僅適用于宏觀低速運動的天體。提出的時候并沒有給出嚴格的證明，但是為后來許多定律的證明奠定了基礎(chǔ)。
開普勒第三定律
開普勒定律是一個普適定律，適用于一切二體問題。開普勒定律不僅適用于太陽系，他對具有中心天體的引力系統(tǒng)（如行星-衛(wèi)星系統(tǒng)）和雙星系統(tǒng)都成立。圍繞同一個中心天體運動的幾個天體，它們軌道半徑三次方與周期的平方的比值（R^3/T^2）都相等，為（GM/4π^2），為中心天體質(zhì)量。這個比值是一個與行星無關(guān)的常量，只與中心體質(zhì)量有關(guān)，那么M相同是這個比值相同。
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