Иоганн Кеплер. Иоганн Кеплер реферат. 1. История жизни И. Кеплера
 Скачать 26.84 Kb.
|
|
Введение Тайны мироздания во все времена волновали ученых. Тайны Солнца и Луны, загадки Земли – все это стало поводом для разногласий с начала времен и до сегодняшнего дня. Средневековая Европа славиться своими многочисленными открытиями в области астрономии, несмотря на царившее в те времена сложное положение науки. Церковь принимала только то, что было наиболее выгодно для ее политики. Основами астрономии были исследования античных ученых, особенно европейскими учеными признавались древнегреческие и древнеримские исследования. И до XVI века. Одним из известнейших ученых того времени стал Иоганн Кеплер. Именно ему принадлежит открытие Принципов движения планет, которые были сформулированы на основе наблюдений Т.Браге. Иоганн Кеплер (1571-1630) — немецкий астроном, один из творцов астрономии нового времени. Открыл законы движения планет (законы Кеплера), на основе которых составил планетные таблицы (т. н. Рудольфовы). Заложил основы теории затмений. Изобрел телескоп, в котором объектив и окуляр — двояковыпуклые линзы. Цель и задача выбранной темы состоит в том, чтобы изучить жизнь и научную деятельность известного ученого-математика, астронома, механика, оптика а кроме того первооткрывателя законов движения планет, и определить его путь поисков гармонии мира при помощи изучения тайн космоса и планет в условиях Средневековья. 1.История жизни И.Кеплера Иоганн Кеплер родился в городе Вейль-дер-Штадт на юге Германии в бедной протестантской семье. После обучения в монастырской школе в 1596 г. поступил в духовную семинарию при Тюбингенской академии (позднее университет). В эти годы он познакомился с гелиоцентрической системой Н. Коперника. По окончании Академии в 1593 г. Кеплер, обвиненный в свободомыслии, не был допущен к богословской карьере и получил должность школьного учителя математики. В 1600 г. он приехал в Прагу к знаменитому астроному Т. Браге, после смерти которого получил материалы его многчисленных наблюдений. Кеплер написал много научных трудов и статей. Важнейшее его сочинение - " Новая астрономия " (1609), посвящена изучению движения Марса по наблюдениям Т. Браге и содержащая первые два закона движения планет. В сочинении "Гармония Мира" (1619) Кеплер сформулировал третий закон, объединяющий теорию движения всех планет в стройное целое. Солнце, занимая один из фокусов эллиптической орбиты планеты, является, по Кеплеру, источником силы, движущей планеты. Он высказал справедливые догадки о существовании между небесными телами тяготения и объяснил приливы и отливы земных океанов воздействием Луны. Составленные Кеплером на основе наблюдений Браге "Рудольфовы таблицы" (1627) давали возможность вычислять для любого момента времени положение планеты с высокой для той эпохи точностью. В работе "Сокращение коперниковой астрономии" (1618-1622) Кеплер изложил теорию и способы предсказания солнечных и лунных затмений. Его исследования по оптике изложены в сочинении "Дополнение к Вителло" (1604) и "Диоптрики" (1611). Замечательные математические способности Кеплера проявились, в частности, в выводе формул для определения объемов многих тел вращения. Рукописи Кеплера были приобретены Петербургской академией наук и хранятся сейчас в России в Санкт-Петербурге. 2. И. Кеплер и предпосылки к его законам Философы Древней Греции думали, что круг — это самая совершенная геометрическая форма. А если так, то и планеты должны совершать свои обращения только по правильным кругам (окружностям). Кеплер пришел к мысли о неправильности установившегося с древности мнения о круговой форме планетных орбит. Путем вычислений он доказал, что планеты движутся не по кругам, а по эллипсам — замкнутым кривым, форма которых несколько отличается от круга. При решении данной задачи Кеплеру пришлось встретиться со случаем, который, вообще говоря, методами математики постоянных величин решен быть не мог. Дело сводилось к вычислению площади сектора эксцентрического круга. Если эту задачу перевести на современный математический язык, придем к эллиптическому интегралу. Дать решение задачи в квадратурах Иоганн Кеплер, естественно, не мог, но он не отступил перед возникшими трудностями и решил задачу путем суммирования бесконечно большого числа «актуализированных» бесконечно малых. Этот подход к решению важной и сложной практической задачи представлял собой в новое время первый шаг в предыстории математического анализа. 3.Законы И.Кеплера Первый закон Иоганна Кеплера предполагает: Солнце находится не в центре эллипса, а в особой точке, называемой фокусом. Из этого следует, что расстояние планеты от Солнца не всегда одинаковое. Кеплер нашел, что скорость, с которой движется планета вокруг Солнца, также не всегда одинакова: подходя ближе к Солнцу, планета движется быстрее, а отходя дальше от него — медленнее. Эта особенность в движении планет составляет второй закон Кеплера. При этом И. Кеплер разрабатывает принципиально новый математический аппарат, делая важный шаг в развитии математики переменных величин. Оба закона Кеплера стали достоянием науки с 1609 года, когда была опубликована его знаменитая «Новая астрономия» — изложение основ новой небесной механики. Однако выход этого замечательного произведения не сразу привлек к себе должное внимание: даже великий Галилей, по-видимому, до конца дней своих так и не воспринял законов Кеплера. Падающий на землю после нашего броска камень до момента падения описывает в воздухе траекторию, являющуюся малой частью эллипса, в одном из фокусов которого находится центр Земли. Эллипс - геометрическая фигура, свойство которой состоит в том, что сумма расстояний от любой точки эллипса до двух особых точек, именуемых фокусами эллипса (F), является величиной постоянной. У эллипса еще выделяют точку центра (С). Основным же понятием для этой фигуры является эксцентриситет. Эксцентриситет - параметр, являющийся характеристикой вытянутости эллипса. Он равен отношению расстояния от центра эллипса до его фокуса к длине большой полуоси (a) или отношению корня из разности квадратов большой и малой (b) полуосей к длине большой полуоси: Эксцентриситет обозначается латинской буквой е. Анализ формул дает нам знать, что для окружности (а=b) эксцентриситет равен нулю. Другие значения этой величины определяют разомкнутые кривые. Для параболы (а бесконечно велико) эксцентриситет равен единице. Эксцентриситет, больший, чем единица, описывает гиперболу. Надо сказать, что в случае планет отличие орбит от окружностей невелико (е несильно отличается от нуля). Значительную вытянутость имеют лишь орбиты Меркурия (е=0,206) и Плутона (е=0,25). Орбиты астероидов и комет могут иметь различную вытянутость. Кометные орбиты часто имеют как параболическую, так и гиперболическую форму. Под гравитационным действием планет кометы иногда искажают свой путь, ускоряются или замедляются. Результатом этого и может послужить сильное изменение формы орбиты. Вспомним также, что гравитационное взаимодействие присуще всем телам, обладающим массами. Из-за этого орбиты всех тел Солнечной системы постоянно меняются: все планеты действуют друг на друга. Такое действие (малое, по сравнению с действием Солнца) называют возмущающим. А изменения в пути небесных тел - возмущениями. Например, возмущающая сила гравитационного притяжения Юпитера значительно меняет орбиты астероидов. Действие на Луну Земли и Солнца делают совершенно непригодными для расчетов ее орбиты законы Кеплера. Второй закон Кеплера (Закон площадей) Изучая по наблюдениям закономерности движения планет, Кеплер смог открыть и такое правило: за любые равные промежутки времени линия, соединяющая Солнце с планетой, покрывает равные по площади участки внутри эллипса. Это второй закон Кеплера или закон площадей. Он предвосхитил собою позднее выведенный закон сохранения момента импульса. Следствие из этого закона такое: скорость, с которой движется планета вокруг Солнца, также не всегда одинакова: подходя ближе к Солнцу, планета движется быстрее, а отходя дальше от него -- медленнее. Эта особенность в движении планет составляет второй закон Кеплера. При этом И. Кеплер разрабатывает принципиально новый математический аппарат, делая важный шаг в развитии математики переменных величин. Оба закона Кеплера стали достоянием науки с 1609 года, когда была опубликована его знаменитая «Новая астрономия» - изложение основ новой небесной механики. Однако выход этого замечательного произведения не сразу привлек к себе должное внимание: даже великий Галилей, по-видимому, до конца дней своих так и не воспринял законов Кеплера. Интересно, что закон площадей Кеплер открыл раньше, чем форму планетных орбит. Третий закон Кеплера (Гармонический закон) Кеплер интуитивно чувствовал, что существуют закономерности, связывающие всю планетную систему в целом. И он ищет эти закономерности в течение десяти лет, прошедших после публикации «Новой астрономии». Богатейшая фантазия и огромное усердие привели Кеплера к его так называемому третьему закону, который, как и первые два, играет важнейшую роль в астрономии. Кеплер издает «Гармонию мира», где он формулирует третий закон планетных движений. Ученый установил строгую зависимость между временем обращения планет и их расстоянием от Солнца. Наконец, Кеплер отметился еще и третьим законом планетных движений. Он вычислил, что отношения кубов больших полуосей орбит и квадратов периодов обращения планет вокруг Солнца - величины равные. Или где a1 и a2 - длины больших полуосей орбит двух планет, а T1 и T2 - периоды их обращения вокруг Солнца. Если, скажем, мы знаем длину большой полуоси орбиты Земли и период ее движения вокруг Солнца (год), то, установив из наблюдений период движения другой планеты, мы легко можем вычислить большую полуось ее орбиты. Если принять большую полуось Земной орбиту за единицу, а период обращения измерять в годах, то, используя в качестве первой планеты в формуле третьего закона Землю, мы сможем переписать закон так: a3=T2, где а измеряется в длинах большой полуоси земной орбиты, а Т - в годах. Длину большой полуоси орбиты Земли издавна принято называть астрономической единицей. Расстояние до других планет в астрономических единицах люди узнали гораздо раньше, чем расстояние от Земли до Солнца, благодаря третьему закону Кеплера. Законы Кеплера замечательны тем, что они, если можно так выразиться, более точны, чем сама действительность. Они представляют собой точные математические законы движения для идеализированной «Солнечной системы», в которой планеты - материальные точки бесконечно малой массы по сравнению с «Солнцем». В действительности же планеты имеют ощутимую массу, так что в фактическом их движении имеются отклонения от законов Кеплера. Такая ситуация имеет место быть в случае многих известных сейчас физических законов. Рассмотренные закономерности вошли в сокровищницу астрономических знаний под названием трех законов Кеплера. Выведенные из наблюдений законы Кеплера были использованы впоследствии И. Ньютоном для обоснования закона всемирного тяготения. Обобщенный третий закон Кеплера Повторим, что законы Кеплера - следствие его непревзойденного усердия в математической обработке результатов наблюдений. Это - наблюдательные законы. Они отображают закономерности, но не выявляют причин. После появления закона всемирного тяготения стало очевидным, что законы Кеплера - лишь следствие физического свойства любых тел, обладающих массами, притягиваться друг другом. Законы Кеплера верны для описания группы тел, масса одного из которых во много раз больше массы остальных. В случае Солнечной системы таким массивным телом является Солнце. Для того чтобы, скажем, описать движение двух близких друг к другу звезд, законов Кеплера вообще недостаточно. Ньютон смог “поправить” своего предшественника, выведя третий закон Кеплера для тел, массы которых надо учитывать. Этот закон называют обобщенным третьим законом Кеплера. В него уже входят значения масс: С помощью этого закона можно сравнить движение спутника с массой m1 вокруг тела с массой M1 и движение спутника с массой m2 вокруг тела с массой М2. Если мы ограничимся Солнечной системой, то М1=М2, ведь это масса Солнца. Массы всех других тел Солнечной системы малы, по сравнению с массой Солнца, можно принять их равными нулю, и Ньютонов закон преобразуется в обычный третий закон Кеплера. Следовательно, все движения в Солнечной системе подчиняются закону всемирного тяготения. Исходя из малой массы планет и тем более прочих тел Солнечной системы, можно приближенно считать, что движения в околосолнечном пространстве подчиняются законам Кеплера. Все тела движутся вокруг Солнца по эллиптическим орбитам, в одном из фокусов которых находится Солнце. Чем ближе к Солнцу небесное тело, тем быстрее его скорость движения по орбите (планета Плутон, самая далекая из известных, движется в 6 раз медленнее Земли). Тела могут двигаться и по разомкнутым орбитам: параболе или гиперболе. Это случается в том случае, если скорость тела равна или превышает значение второй космической скорости для Солнца на данном удалении от центрального светила. Если речь идет о спутнике планеты, то и космическую скорость надо рассчитывать относительно массы планеты и расстояния до ее центра. Открытие законов обращения планет потребовало от Кеплера многих лет упорной и напряженной работы. Он работал, живя все время в бедности, преследуемый всесильными церковными властями. Книги Кеплера, которые он с большим трудом издавал, сжигали на кострах. Кеплер объясняет, почему планет именно шесть и они размещены в пространстве так, а не как-либо иначе: оказывается, орбиты планет вписаны в правильные многогранники. Интересно, что исходя из этих ненаучных соображений, Кеплер предсказал существование двух спутников Марса и промежуточной планеты между Марсом и Юпитером. Иоганн Кеплер занимался не только исследованием обращения планет, он интересовался и другими вопросами астрономии. Его внимание особенно привлекали кометы. Подметив, что хвосты комет всегда обращены в сторону от Солнца, Кеплер высказал догадку, что хвосты образуются под действием солнечных лучей. В то время ничего еще не было известно о природе солнечного излучения и строении комет. Только во второй половине XIX века и в XX веке было установлено, что образование хвостов комет действительно связано с излучением Солнца. Потребности астрономии стимулировали дальнейшее развитие вычислительных средств математики и их популяризации. В 1615 году Иоганн Кеплер выпустил сравнительно небольшую по объему, но весьма емкую по содержанию книгу -- «Новая стереометрия винных бочек», в которой продолжил разработку своих интеграционных методов и применил их для нахождения объемов более чем 90 тел вращения, подчас довольно сложных. Там же им были рассмотрены и экстремальные задачи, что подводило уже к другому разделу математики бесконечно малых -- дифференциальному исчислению. Необходимость совершенствования средств астрономических вычислений, составление таблиц движений планет на основе системы Коперника привлекли Кеплера к вопросам теории и практики логарифмов. Воодушевленный работами Непера, Иоганн Кеплер самостоятельно построил теорию логарифмов на чисто арифметической базе и с ее помощью составил близкие к неперовым, но более точные логарифмические таблицы, впервые изданные в 1624 году и переиздававшиеся до 1700 года. Кеплер же первым применил логарифмические вычисления в астрономии. «Рудольфинские таблицы» планетных движений, включающие удобные для расчётов таблицы логарифмов, он смог завершить только благодаря новому средству вычислений, которые многие годы были настольной книгой астрономов. Кеплеровы таблицы сл ужили астрономам и морякам вплоть до начала XIX века. В 1604 году Кеплер издал содержательный трактат по оптике «Дополнения к Вителлию», а в 1611 году -- ещё одну книгу, «Диоптрика». С этих трудов начинается история оптики как науки. В этих сочинениях Кеплер подробно излагает как геометрическую, так и физиологическую оптику. Он описывает преломление света, рефракцию и понятие оптического изображения, общую теорию линз и их систем. Вводит термины «оптическая ось» и «мениск», впервые формулирует закон падения освещённости обратно пропорционально квадрату расстояния до источника света. Ученому принадлежат также важные результаты в оптике, разработанная им оптическая схема рефрактора уже к 1640 году стала основной в астрономических наблюдениях. Кеплер вывел также «уравнение Кеплера», используемое в астрономии для определения положения небесных тел. Описанный им физиологический механизм зрения, с современных позиций, принципиально верен. Кеплер выяснил роль хрусталика, верно описал причины близорукости и дальнозоркости. Глубокое проникновение в законы оптики привело Кеплера к схеме телескопической подзорной трубы (телескоп Кеплера), изготовленной в 1613 году Кристофом Шайнером. К 1640-м годам такие трубы вытеснили в астрономии менее совершенный телескоп Галилея. Отношение Кеплера к астрологии было двойственным. С одной стороны, он допускал, что земное и небесное находятся в некоем гармоничном единстве и взаимосвязи. С другой -- скептически оценивал возможность использовать эту гармонию для предсказания конкретных событий. Заключение Учитывая жизненные обстоятельства, в которых жил и работал Иоганн Кеплер, нельзя не сказать о его преданности науке. Его исследования в области механики небесных тел оказались настолько большим скачком в современной ему науке, что не сразу были приняты ученым братством. Начав свою жизнь с поиска Бога, со служения ему он постепенно пришел к науке, став при этом величайшим ученым. Его анализ наблюдений других астрономов, уникальные знания математики позволили ему открыть свои Принципы движения планет, которые стали браться за основу. Не смотря на давление церкви, Кеплер жил во времена научных и технических изменений. Галилей, Браге и т.д. – все они привнесли значительный вклад в науку, и это касается не только астрономии, но и математики, физики. Благодаря научным открытиям произошел технический прогресс. Открытие новых планет привело к появлению новых расчетов в работе Кеплера, это дало ему новую почву для исследований и расчетов. Надо заметить, что Кеплер в своих научных трудах часто отходит от заданной темы и переходит на рассказ о своих жизненных неурядицах и трудностях. Он превращает свои книги не только в научный труд, но и в некий рассказ о себе, позволяя современным исследователям лучше понять его метания и искания в научной сфере. Начав с поисков гармонии мира, Кеплер приходит к иным выводам. Он уже понимает, что теория Птолемея не верна несмотря на то, что именно она близка церкви. Начиная свои поиски истины, он приходит к открытиям в астрономии, при этом параллельно занимаясь астрологией, которую он называет «дочерью» астрономии. Его любовь к математике позволили ему создать для себя идеальную вселенную, математически точную, которую он и показал в своих научных трудах и открытиях. Список литературы 1. Белый Ю. А. Вклад Кеплера в развитие математики и его астрономические исследования // Историко-астрономические исследования. Вып. XI. 1972. С.65-106. 2. Веселовский И. Н. Кеплер и Галилей. // Историко-астрономические исследования. Вып. XI. 1972. С.19-64. 3. Данилов Ю.А. Гармония и астрология в трудах Кеплера // Юлий Александрович Данилов. Прекрасный мир науки. — Традиция, 2008. — 383 с. — ISBN 5-89826-282-2. 4. Лопес, Эдуардо Баттанер. Танцы со звёздами. Кеплер. Движение планет // Наука. Величайшие теории. — М.: Де Агостини, 2015. — Вып. 4. — ISSN 2409-0069. 5. Белонучкин В.Е. «Кеплер, Ньютон и все, все, все…» Москва «Наука» 1990 г. 6. Вернадский В.И. «Научная мысль как планетное явление» Москва «Наука» 1991 г. 7. Вернадский В.И. «Очерки по теории естествознания» Москва «Наука» 1988 г. 8. Вернадский В.И. «Очерки по истории современного научного мировоззрения» Москва «Наука» 1988 г. |