师：同学们好，今天我们来学习物理粤教版必修2第三单元第一节认识天体运动。从明朝万户尝试利用火箭飞天，到2003年神舟五号升空，2020年嫦娥五号成功登月，2021年天问一号在火星着陆，人类对太空的探索从未停止。而物理学的起源，也可以说是从观测天体运动开始的，因为天体运动是最简洁、最纯粹的自然运动。今天，我们将视角转向研究天上的问题，关注天体运动的规律。
关于天体运动的规律，古时人类就发现太阳每天东升西落，月亮会经历周期性的阴晴圆缺。中国古代天文学家发明并利用日晷记录太阳在一年中的变化，结合月相周期，建立了沿用至今的阴阳历，也就是农历，并将一年划分为24个节气，用于指导农时。
除了日月，中国古人还发明了浑天仪，对其他星体进行观测研究。古人认为天圆地方，发现金木水火土五颗行星位置大致沿一条线，称为黄道，还把天上的行星划分为不同星宿，形成了一套完整的天文学体系。
无独有偶，西方古希腊时期，人们也提出了天文学理论。古希腊人认为天上星体以地球为圆心，做完美的圆周运动。以柏拉图为首的雅典学派提出同心球层模型，认为太阳、月亮和五大行星都以地球为中心做完美圆周运动，这就是早期的地心说模型。但单纯的匀速圆周运动无法解释一些异常现象，比如火星逆行。为此，阿波罗提出行星运动的本轮均轮模型，认为火星在自己的本轮上做匀速圆周运动，本轮中心则在以地球为圆心的均轮上做更大的匀速圆周运动，两者结合可解释火星逆行现象。
地心说体系最终由古希腊晚期的托勒密发展完善。随着更多观测数据出现，托勒密发现简单的本轮均轮模型不能很好匹配实际结果，于是引入偏心轮概念和偏心匀速点。他把地球从均轮中心移开一定距离，认为行星绕地球转，但地球不在圆心；又引入对位点，认为本轮在均轮上做圆周运动，绕对位点转动的角速度保持不变，对位点也叫偏心匀速点。托勒密及其追随者在此基础上增加了更多本轮，多达80多个，最终形成一套复杂隐秘的地心说体系。由于托勒密体系能与观测数据很好匹配，且符合基督教大地静止、地球是宇宙中心的思想，所以统治了长达1400多年。
直到文艺复兴时期，年轻的哥白尼来到文艺复兴中心意大利，接触到新思想，对托勒密体系产生质疑。哥白尼认为宇宙规律应简洁和谐，天体运动本应是匀速圆周运动，而托勒密体系违背和谐原则。经过一系列缜密演算，哥白尼指出：一、地球仅是月球轨道的中心，并非宇宙中心；二、地球和其他行星一样，绕太阳做圆周运动；三、地球一昼夜绕地轴自转一周，一年绕太阳公转一周。基于这些假设，哥白尼提出日心说模型，该模型简便且能解释火星逆行现象。如图，地球绕太阳做圆周运动，火星在更外侧轨道运动，我们在地球上观测火星，看到的是两者连线在天上的运动，就像人在镜子里看到的图像是光线反向延长的结果。由于地球和火星轨道运动不同步，导致看到火星在天上的轨迹出现逆行。哥白尼将日心说理论写成《天体运行论》，但迫于教会压力，直到1542年临终前才出版。日心说的创立被称为哥白尼革命。
意大利思想家布鲁诺因到处宣讲日心说被教会视为异端，1600年被罗马教会执行火刑。伽利略是哥白尼理论的继承者，他发明望远镜，利用望远镜发现木星的四颗卫星，有力驳斥了地心说假设。伽利略出版《关于托勒密和哥白尼两大世界体系的对话》为日心说辩护，多次被教会约谈要求悔过，但他没有妥协，晚年在软禁中度过。正是因为布鲁诺和伽利略等人的宣扬，哥白尼理论才广为人知，越来越多人质疑地心说，尝试日心说的可能性。哥白尼学说从根本上动摇了欧洲中世纪宗教神学的理论基础，使自然科学从神学中解放出来，科学发展大步向前。
日心说理论提出后，要被人们接受，除了理论猜想，还需数据检验。日心说逐渐盛行，吸引了丹麦国王的注意，他热衷天文学，资助丹麦的第谷在小岛上建了一个天文台。这个天文台非常庞大，仪器是当时世界上最先进的，测量精度比前人提高了几十倍甚至几百倍。第谷是个孜孜不倦的天文观测者，历经21年，他所获得的行星角位置误差仅为2分。在伽利略发明望远镜之前，第谷用肉眼借助这些仪器进行观测，达到了人眼所能达到的最高精度。后来因经费问题，第谷将装置搬到布拉格，并招募年轻的开普勒作为助手。
1601年第谷去世后，把生前所有观测数据都留给了开普勒，并委托他绘制一套新的行星运行表。开普勒是德国人，读书期间深受毕达哥拉斯和柏拉图影响，数学功底深厚，认为应通过数学和谐探寻自然规律。开普勒应第谷期许制造新的行星运行表，因火星数据最全面，便以火星为切入点。最开始，开普勒像前人一样用正圆绘制火星轨道，但发现无论如何都与第谷的观测数据不符，后来改用偏心圆，仍存在8分的误差。这8分误差令开普勒苦恼，是数据有误吗？但开普勒深信第谷的观测准确，难道是基于圆轨道的理论本身有错误？回顾托勒密在本轮均轮模型基础上加入偏心匀速点，目的是修正圆轨道以匹配更多观测数据。在开普勒看来，偏离圆中心的对位点不就是椭圆的一个焦点吗？于是开普勒抛弃圆轨道假设，改用椭圆计算，很快发现火星数据完美落在椭圆轨道上。开普勒欣喜若狂，明白了圆周运动并非宇宙真理。如图模拟展示了用偏心圆和椭圆模型画出的轨道，实际差别很小，但正是这8分差距促使开普勒揭示了大自然的真理，体现了实事求是的科学精神在科学研究中的重要性。由此，开普勒得到第一条定律：所有行星围绕太阳的运动轨迹都是椭圆，太阳位于椭圆的一个焦点上，此定律也叫椭圆轨道定律。