約翰尼斯·開普勒定律(也可譯為克卜勒定律）：也統(tǒng)稱“開普勒三定律”，也叫“行星運(yùn)動(dòng)定律”，是指行星在宇宙空間繞太陽公轉(zhuǎn)所遵循的定律。由于是德國天文學(xué)家開普勒根據(jù)丹麥天文學(xué)家第谷·布拉赫等人的觀測(cè)資料和星表，通過他本人的觀測(cè)和分析后，于1609～1619年先后歸納提出的，故行星運(yùn)動(dòng)定律即指開普勒三定律。
簡介
開普勒定律是開普勒發(fā)現(xiàn)的關(guān)于行星運(yùn)動(dòng)的定律。他于1609年在他出版的《新天文學(xué)》上發(fā)表了關(guān)于行星運(yùn)動(dòng)的兩條定律，又于1618年，發(fā)現(xiàn)了第三條定律。
約翰尼斯·開普勒很幸運(yùn)地能夠得到，著名的丹麥天文學(xué)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(dòng)遵守三條相當(dāng)簡單的定律。
開普勒的定律給予亞里士多德派與克羅狄斯·托勒密派在天文學(xué)與物理學(xué)上極大的挑戰(zhàn)。他主張地球是不斷地移動(dòng)的；行星軌道不是圓形的，而是橢圓形的；行星公轉(zhuǎn)的速度不等恒。這些論點(diǎn)，大大地動(dòng)搖了當(dāng)時(shí)的天文學(xué)與物理學(xué)。經(jīng)過了幾乎一世紀(jì)披星戴月，廢寢忘食的研究，物理學(xué)家終于能夠用物理理論解釋其中的道理。牛頓應(yīng)用他的第二定律和萬有引力定律，在數(shù)學(xué)上嚴(yán)格地證明了開普勒定律，也讓人了解了其中的物理意義。
開普勒的三條行星運(yùn)動(dòng)定律改變了整個(gè)天文學(xué)，徹底摧毀了托勒密復(fù)雜的宇宙體系，完善并簡化了哥白尼的日心說。
開普勒第一定律
開普勒第一定律，也稱橢圓定律：每一個(gè)行星都沿各自的橢圓軌道環(huán)繞太陽，而太陽則處在橢圓的一個(gè)焦點(diǎn)中。
開普勒第二定律
開普勒第二定律，也稱面積定律：在相等時(shí)間內(nèi)，太陽和運(yùn)動(dòng)著的行星的連線所掃過的面積都是相等的。
這一定律實(shí)際揭示了行星繞太陽公轉(zhuǎn)的角動(dòng)量守恒。用公式表示為
開普勒第三定律
開普勒第三定律，也稱調(diào)和定律：各個(gè)行星繞太陽公轉(zhuǎn)周期的平方和它們的橢圓軌道的半長軸的立方成正比。
由這一定律不難導(dǎo)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(gè)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(xué)引導(dǎo)
開普勒定律是關(guān)于行星環(huán)繞太陽的運(yùn)動(dòng)，而牛頓定律更廣義的是關(guān)于幾個(gè)粒子因萬有引力相互吸引而產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)。在只有兩個(gè)粒子，其中一個(gè)粒子超輕于另外一個(gè)粒子，這些特別狀況下，輕的粒子會(huì)環(huán)繞重的粒子移動(dòng)，就好似行星根據(jù)開普勒定律環(huán)繞太陽的移動(dòng)。然而牛頓定律還容許其它解答，行星軌道可以呈拋物線運(yùn)動(dòng)或雙曲線運(yùn)動(dòng)。這是開普勒定律無法預(yù)測(cè)到的。在一個(gè)粒子并不超輕于另外一個(gè)粒子的狀況下，依照廣義二體問題的解答，每一個(gè)粒子環(huán)繞它們的共同質(zhì)心移動(dòng)。這也是開普勒定律無法預(yù)測(cè)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(biāo)及時(shí)間跟軌道參數(shù)相連結(jié)。牛頓第二運(yùn)動(dòng)定律是一個(gè)微分方程。開普勒定律的導(dǎo)引涉及解微分方程的藝術(shù)。我們會(huì)先導(dǎo)引開普勒第二定律，因?yàn)殚_普勒第一定律的導(dǎo)引必須建立于開普勒第二定律。
數(shù)學(xué)證明
開普勒第一定律的證明
設(shè)太陽與行星質(zhì)量分別?M和m，取平面極作標(biāo)系，行星位置用（r,α）來描述。如圖行星位置矢量?是垂直單位矢量。
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(yùn)動(dòng)，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)
上式表明，行星徑矢? r始終與常矢量h正交，故行星一定在同一平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)。
為了得出行星運(yùn)動(dòng)的軌跡，采用圖中平面極坐標(biāo)方向
，取靜止的太陽為極點(diǎn)o，行星位置為(r,α).在平面 極坐標(biāo)中，行星運(yùn)動(dòng)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。
ｄr/ｄt是徑向速度分量， r﹒(dα/dt)是橫向速度分量
速度大小滿足v2=(ｄr/ｄt)2+( r﹒(dα/dt))2
動(dòng)量mv=m(ｄr/ｄt)+m( r﹒(dα/dt))
角動(dòng)量L=r×mv=m?r2(dα/dt)?(r°×α°)
得L=m?r 2?(dα/dt)
行星所受的太陽引力指向o點(diǎn)，故對(duì)o點(diǎn)力矩M=0，由角動(dòng)量定理，知角動(dòng)量守恒。L為常量
太陽行星系的機(jī)械能守恒，設(shè)系統(tǒng)總能量為E，則
E=?mv2-GMm/r
因 α/dt=L/mv2 ｄr/ｄt= (L/mv2)(dr/dα)代入上式
(L2/平方米r2r2)(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
上式對(duì)α求導(dǎo)。并注意E與L為常量。得
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(shí)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(shí)的軌跡。設(shè)行星從A到B、從B到C所用的時(shí)間間隔Δt相等，A處的時(shí)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(shí)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?yàn)橐Φ姆较驎r(shí)刻指向恒星，所以在從t1到t3這段時(shí)間里，行星所受的引力的方向的總效果應(yīng)該沿著BO方向（這需要一點(diǎn)向量的知識(shí)）。因此，t3時(shí)刻行星的位置C’應(yīng)該由兩個(gè)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(jià)于CC’）。這樣，SΔBCO=SΔBC’O(同底等高)。因此，SΔBC’O=SΔABO。因?yàn)棣是任取的，所以在相等的時(shí)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(yùn)動(dòng)的近日點(diǎn)和遠(yuǎn)日點(diǎn)，以Va和Vb分別表示行星在該點(diǎn)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(diǎn)時(shí)對(duì)應(yīng)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(yīng)有SA=SB，因此得
vB=[(a-c)/(a=c)]vA……………………………………………{2}
行星運(yùn)動(dòng)的總機(jī)械能E等于其動(dòng)能與勢(shì)能之和，則當(dāng)他經(jīng)過近日點(diǎn)和遠(yuǎn)日點(diǎn)時(shí)，其機(jī)械能應(yīng)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(jī)械能守恒，應(yīng)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(yùn)動(dòng)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(cè)方面獲得不少成就，死后留下20多年的觀測(cè)資料和一份精密星表。他的助手約翰尼斯·開普勒利用了這些觀測(cè)資料和星表，進(jìn)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(yùn)行表一直行不通，火星這個(gè)“狡猾家伙”總不聽指揮，老愛越軌。經(jīng)過一次次分析計(jì)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(xì)致而復(fù)雜計(jì)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(yùn)行，太陽位于橢圓的一個(gè)焦點(diǎn)上。這就是行星運(yùn)動(dòng)第一定律，又叫“軌道定律”。
當(dāng)開普勒繼續(xù)研究時(shí)，“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(yùn)動(dòng)當(dāng)作等速來研究的。他按照這一方法苦苦計(jì)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(yùn)行的行星速度不是常數(shù)，而是在相等時(shí)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(yùn)動(dòng)第二定律，又叫“面積定律”。
約翰尼斯·開普勒又經(jīng)過9年努力，找到了行星運(yùn)動(dòng)第三定律：太陽系內(nèi)所有行星公轉(zhuǎn)周期的平方同行星軌道半長徑的立方之比為一常數(shù)，這一定律也叫“調(diào)和定律”。
定律意義
首先，開普勒定律在科學(xué)思想上表現(xiàn)出無比勇敢的創(chuàng)造精神。遠(yuǎn)在尼古拉·哥白尼創(chuàng)立日心宇宙體系之前，許多學(xué)者對(duì)于天動(dòng)地靜的觀念就提出過不同見解。但對(duì)天體遵循完美的均勻圓周運(yùn)動(dòng)這一觀念，從未有人敢懷疑。開普勒卻毅然否定了它。這是個(gè)非常大膽的創(chuàng)見。哥白尼知道幾個(gè)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(cái)富”。
其次，約翰尼斯·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梏下解放出來，為它帶來充分的完整和嚴(yán)謹(jǐn)。尼古拉·哥白尼拋棄古希臘人的一個(gè)先入之見，即天與地的本質(zhì)差別，獲得一個(gè)簡單得多的體系。但它仍須用三十幾個(gè)圓周來解釋天體的表觀運(yùn)動(dòng)。開普勒卻找到最簡單的世界體系，只用七個(gè)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(yùn)動(dòng)。
第三，開普勒定律使人們對(duì)行星運(yùn)動(dòng)的認(rèn)識(shí)得到明晰概念。它證明行星世界是一個(gè)勻稱的（即約翰尼斯·開普勒所說的“和諧”）系統(tǒng)。這個(gè)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(gè)行星軌道的焦點(diǎn)之一。行星公轉(zhuǎn)周期決定于各個(gè)行星與太陽的距離，與質(zhì)量無關(guān)。而在尼古拉·哥白尼體系中，太陽雖然居于宇宙“中心”，卻并不扮演這個(gè)角色，因?yàn)闆]有一個(gè)行星的軌道中心是同太陽相重合的。
由于利用前人進(jìn)行的科學(xué)實(shí)驗(yàn)和記錄下來的數(shù)據(jù)而作出科學(xué)發(fā)現(xiàn)，在科學(xué)史上是不少的。但像行星運(yùn)動(dòng)定律的發(fā)現(xiàn)那樣，從第谷·布拉赫的20余年辛勤觀測(cè)到約翰尼斯·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(xué)合作，則是罕見的。這一切都是在沒有望遠(yuǎn)鏡的條件下得到的！
定律
1601年，第谷逝世。兩天之后，約翰·開普勒被委任成為他的繼任者，作為皇家數(shù)學(xué)家負(fù)責(zé)完成第谷未完成的工作，開始編制魯?shù)婪蛐潜?。但開普勒的興趣和注意力卻更多的放在改進(jìn)和完善尼古拉·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(cè)數(shù)據(jù)，與哥白尼體系、克羅狄斯·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(yùn)行的真實(shí)軌道。
最初的研究從觀測(cè)與理論差異突出的火星著手。他運(yùn)用傳統(tǒng)的勻速圓周運(yùn)動(dòng)加偏心圓來計(jì)算，均遭到失敗。經(jīng)過長達(dá)4年近70次各種行星軌道形狀設(shè)計(jì)方案的計(jì)算，約翰尼斯·開普勒認(rèn)識(shí)到哥白尼體系的勻速圓周運(yùn)動(dòng)和偏心圓的軌道模式與火星的實(shí)際運(yùn)動(dòng)軌道不符。于是他大膽的拋棄了統(tǒng)治人類思想達(dá)2000年之久的“勻速圓周運(yùn)動(dòng)”偏見，嘗試用別的幾何曲線來表示火星軌道的形狀。他認(rèn)為行星運(yùn)動(dòng)軌道的焦點(diǎn)應(yīng)該在產(chǎn)生引力中心的太陽上，并進(jìn)而斷定火星運(yùn)動(dòng)的切向速度不是勻速的，近太陽時(shí)快些，遠(yuǎn)太陽時(shí)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(cè)數(shù)據(jù)相符。就這樣，他首先得到了行星運(yùn)行的等面積定律。隨后他發(fā)現(xiàn)火星運(yùn)行的軌道不是正圓，而是焦點(diǎn)位于太陽上的橢圓，他把這結(jié)論應(yīng)用于其他行星也是適用的。于是他又得到了行星運(yùn)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(xué)》一書上。但他對(duì)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(jiān)信存在著一個(gè)把全體行星完整地聯(lián)系在一起的簡單法則。
在這個(gè)信念鼓舞下，約翰尼斯·開普勒忍受著個(gè)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(fù)計(jì)算和假設(shè)，終于在1618年找到在大量觀測(cè)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(rèn)識(shí)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(dāng)代有人閱讀，也可能是供后人閱讀的。它很可能要等一個(gè)世紀(jì)才有信奉者一樣，這一點(diǎn)我不管了。"
開普勒的三定律是天文學(xué)的又一次革命，它徹底摧毀了克羅狄斯·托勒密繁雜的本輪宇宙體系，完善和簡化了尼古拉·哥白尼的日心宇宙體系。約翰尼斯·開普勒對(duì)天文學(xué)最大的貢獻(xiàn)在于他試圖建立天體動(dòng)力學(xué)，從物理基礎(chǔ)上解釋太陽系結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)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(yùn)動(dòng)的觀點(diǎn)是錯(cuò)誤的。但它對(duì)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(xué)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(jì)天文學(xué)家哥白尼以其大膽的洞察力，提出了太陽系這一引領(lǐng)時(shí)代的全新理論，從而帶來了一場(chǎng)科技革命。但是直到半個(gè)世紀(jì)后，德國數(shù)學(xué)家開普勒利用丹麥天文學(xué)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(zhǔn)確闡述了行星的運(yùn)動(dòng)。在有生之年，他的成就沒有得到承認(rèn)，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
開普勒定律適用于宇宙中一切繞心的天體運(yùn)動(dòng)。在宏觀低速天體運(yùn)動(dòng)領(lǐng)域具有普遍意義。對(duì)于高速的天體運(yùn)動(dòng)，開普勒定律提供了其回歸低速狀態(tài)的方程。
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(yùn)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(yùn)行的情況。
僅適用于宏觀低速運(yùn)動(dòng)的天體。提出的時(shí)候并沒有給出嚴(yán)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(gè)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(duì)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(gè)中心天體運(yùn)動(dòng)的幾個(gè)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(gè)比值是一個(gè)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(gè)比值相同。
參考資料 >