师：同学们，之前我们学习了地上的运动，今天来学习天上的运动。人类在古文明时期就发现太阳每天东升西落，月亮会经历周期性的阴晴圆缺。除了太阳和月亮，古人对天上其他星体也进行了观测。
中国古代天文学家利用圭表记录太阳在一年当中的变化，结合月相周期建立了沿用至今的阴阳历，俗称农历，并将一年划分成24个节气，以指导农时。此外，中国古人还发明了浑天仪，对其他星体进行观测与划分。他们认为天圆地方，发现金木水火土五颗行星的位置大致沿一条线，称为黄道，还把天上的恒星划分为不同的星宿，形成了一套完整的天文体系。
无独有偶，在西方，古希腊人也提出了天文学理论。他们认为天上的星体以地球为中心，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匀速圆周运动，这便是最早的地心说模型。但单纯的匀速圆周运动无法解释行星的异常现象，比如火星逆行。为此，阿波罗尼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，同时本轮中心在以地球为圆心的均轮上做更大的匀速圆周运动，两个圆周运动复合起来可解释火星逆行。于是，古希腊形成了以地球为中心，五大行星按本轮均轮方式绕地球运动的地心说理论，月亮和太阳则直接以地球为中心做匀速圆周运动，地心说体系最终由古希腊晚期的托勒密发展完善。
随着观测数据增多，托勒密发现简单的本轮均轮模型不能很好匹配实际结果，便引入偏心圆概念和偏心匀速点。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。同时，为符合观测数据，他引入对位点，认为本轮在均轮上做圆周运动时，本轮中心绕对位点转动的角速度保持不变，这个对位点也叫偏心匀速点。托勒密及其追随者在此基础上又添加了更多本轮，多达80个，形成了复杂而缜密的地心说体系。托勒密的体系因能与观测数据匹配，且符合基督教大地静止、地球是宇宙中心的教义，统治了长达1400多年，直到文艺复兴开始。
在文艺复兴时期，年轻的哥白尼来到意大利，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，他觉得托勒密加入的偏心轮和偏心匀速点违背和谐原则。经过慎重演算，哥白尼指出：一、地球仅是月球的中心，并非宇宙的中心；二、地球和其他行星一样绕太阳运转；三、地球一昼夜绕地轴自转一周，形成人们看到的星体周日转动，地球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，即包括地球在内的行星都绕太阳做匀速圆周运动。日心说模型简洁，还能自然解释火星逆行现象。因为地球和火星在各自轨道运动不同步，导致我们在地球上看到火星轨迹出现逆行。哥白尼将日心说理论写成《天体运行论》一书，因忌惮教会压力，直到1542年临终前才出版。日心说的创立被称为哥白尼革命。
随后，意大利思想家布鲁诺因宣讲日心说和离经叛道的思想被教会视为异端，于1600年被罗马教会执行火刑。伽利略同样是哥白尼理论的继承者，他发明了望远镜，利用望远镜发现了木星的四颗卫星，有力驳斥了地心说。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，哥白尼理论开始广为人知，越来越多人质疑地心说，尝试日心说。哥白尼日心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。日心说逐渐盛行，引起了丹麦国王的注意。
丹麦国王热衷天文学，资助第谷在丹麦的小岛上修建了一座完善的天文台，其测量精度比前人提高了几十倍甚至上百倍。第谷是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，第谷借助木质仪器和庞大的墙壁象限仪，用肉眼进行观测，达到了人眼所能获得的最高精度。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，第谷辞世，将所有观测数据留给开普勒，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，认为应以数学和谐探寻自然规律。开普勒以火星为切入点制作新的行星运行表，最初和前人一样用正圆绘制火星轨道，但与第谷观测数据不符，改用偏心圆仍存在8分误差。开普勒苦恼这8分误差，是数据错误吗？但他深信第谷的观测准确，难道基于圆轨道的假设本身有问题？托勒密的本轮均轮模型加入偏心匀速点是为修正圆轨道匹配观测数据，可在开普勒看来，偏心率概念不符合和谐简洁之美。