高一物理质点参考系和坐标系4.ppt

学习目标: (1)理解质点的概念．能明确物体在什么 情况下可以看作质点．(2)知道参考系的概念．知道选取参考系时 ，要考虑到使运动的描述尽可能简单(3)知道坐标系的概念．能够用坐标系描述 物体的位置和位置的变化．一 物体的运动• 机械运动:物体的空间位置随时间的变化.是自然 界中最简单、最基本的运动形态 • 1、运动是______ 的 • 一切物体都在不停________•该如何描述物体的运动呢？ • 如：雄鹰在空中翱翔 • 足球的飞滚 • 树叶、纸张 的飘落 • 海浪的汹涌澎湃精确描述精确描述 之之难难难难` `• 难道我们真的无法描述物体的运动？ • 例：飞机以某速度从南京飞向北京, • 研究火车在城市之间运行我我们们们们是否要是否要 考考虑飞虑飞虑飞虑飞 机本机本 身大小？身大小？车车车车箱的箱的颤动颤动颤动颤动 我我们们们们考考虑吗虑吗虑吗虑吗 ？？我我们们们们已已经经经经很自然的很自然的忽略忽略某些次要因素（如某些次要因素（如 形状、大小），形状、大小），只关心只关心主要的方面。

主要的方面` `￿￿ 物理方法 • 质点（mass point） • （1）某些情况下，将物体简化为一个有质量的点 • （2）理想化的“物理模型” • 忽略次要因素：形状、大小等 • 突出主要因素：具有质量（本质属性）矛盾的主矛盾的主 次方面次方面物体都可以看 作质点么？一 ` 物 体 的 运 动• 1、运动是______ 的• 2、质点（mass point）• （1）某些情况下，将物体简化为一个有质量的点• （2）理想化的“物理模型”• 忽略次要因素：形状、大小等• 突出主要方面：具有质量（本质属性）• （3）物体能否看作质点是有条件的• 物体的大小和形状在研究问题时可以 忽略不计想一想，做一做······1、下列关于质质点的说说法中，正确的是········（ ） A、体积积很小的物体都可看成质质点 B、质质量很小的物体都可看成质质点 C、不论论物体的质质量多大，只要物体的尺寸跟物体间间 距相比甚小时时，就可以看成质质点 D、只有低速运动动的物体才可看成质质点，高速运动动的 物体不可看作质质点想一想，做一做······2、下列情形中的物体可以看作质质点的是·········（ ） A、跳水冠军军郭晶晶在跳水比赛赛中 B、一枚硬币币用力上抛，猜测测它落地时时是正面朝上还还 是反面朝上 C、奥运会冠军军邢慧娜在万米长长跑中 D、花样样滑冰运动员动员 在比赛赛中亲 身 体 会 ：• 几点说明:• 1、物理各点的运动情况相同（平动）时，可以看作质 点，一般研究物体的转动时不能把物体看作质点。

• 2、物体有转动，但物体的转动不是我们所研究的主要 问题时，物体的本身大小和形状已变成了次要因素， 物体可以看作质点• 3、物体本身的大小对所研究的问题不能忽略时，不能 把物体看作质点• 4、物体能否看作质点，取决于它的形状和大小在所研 究的问题中是否可以忽略不计，而跟物体自身体积的 大小，质量的多少和运动速度的大小无关• 5、一个物体能否看作质点取决于所研究问题的性质， 即使同一个物体在研究问题不同时，有的情况下可以 看作质点，而有的情况下不可以看作质点思 考 与 讨 论 ：• 质点和几何中的点是一回事吗？1、相同形状和点：都是没有大小的点2、不同点：质点是实际物体的抽象，它具有一定的物理内涵，不仅具有物体的全部质量，而且是一相对的物理概念；几何中的点没有质量，仅表示位置，而且应该绝对的小思 维 体 操 ：• ￿￿ 如何解释小孩的静止或运动？ • ￿￿ 同样的物体，运动会不同？二 参考系 • 1、运动的相对性： 描述运动要寻找参考物体• 思考：我们曾说过运动是绝对的，现在又说运动是相对的，矛盾么？• 2、参考系（reference frame）• （1）选择的任意性（一般选择地球和相对于地球静止的物体）• （2）对不同参考系，运动可能不同注意：比较两个物体的运动情况，必须选 择同一个参考系才有意义。

` `1、电电影《闪闪闪闪 的红红星》中有两句歌词词：“小小竹排 江中游，巍巍青山两岸走这这其中分别别描述了两种 运动动情景，那么它们们分别别是以什么为为参考系的？2、“月亮在莲莲花般的云朵朵里穿行”3、坐在美丽丽的校园内学习习 的诗诗句“坐地日行 八万里，巡天遥看一千河”时时，我们们感觉觉是静止不动动 的这这与诗诗句里的描述是否矛盾？说说明理由4、敦煌曲子词词中有这样这样 的诗诗句：“满满眼风风波多闪烁闪烁 ，看山恰似走来迎，仔细细看山山不动动，是船行”其中“ 看山恰似走来迎”和“是船行”所选选的参考系分别别是什 么？想一想，做一做······河岸、竹 排云朵朵不矛盾人山（地面）如 何 确 定 物 体 位 置 ？• ￿￿ 文字描述方便吗？能精确吗？• ￿￿ 有没有简便又准确的方法？笛卡儿 笛卡儿 发发发发明坐明坐标标标标 系系• 若物体只在一条直线上运动，如何描 述位置变化？从A到B位置变化了多少？三 坐标系• 1、坐标系（coordinate system）建立的作用：为了定量描述物体的位置变化• 2、坐标系的构成要素：• 原点、正方向、标度、• 物理量、单位` `￿ 说 一 说￿￿ 对对对对于在平面上运于在平面上运动动动动的物体，例的物体，例如冰如冰场场场场上的花上的花样样样样滑冰运滑冰运动员动员动员动员 ，要描，要描述他述他们们们们的位置，你的位置，你认为应该认为应该认为应该认为应该 怎怎样样样样建建立坐立坐标标标标系？系？如 何 在 地 面 定 物 体 位 置 ？• 寻找有用信息：经度与纬度（大地坐标系）生活中的物理全球卫星定位系统（GPS）这节课我们学习了质点、参考系和坐标系 等概念，它们是运动学乃至整个力学的最基本 最重要的概念。

1、要描述物体的运动，首先要对实际物 体建立一个物理模型，最简单的是质点模型2、由于运动的相对性，描述质点的运动 时必须明确所选择的参考系3、为了准确地、定量地描述质点的运动 ，还要建立坐标系 （物理学研究问题的基本方法——建立物理模 型课 堂 小 结• 典型例题• 1、在下列物体的运动中，可视作质点的物体有 ( )• A.从北京开往广州的一列火车• B.研究转动的汽车轮胎• C.研究绕地球运动时的航天飞机• D.表演精彩芭蕾舞演员• E.参加一百米跑竞赛的运动员在冲刺过程中• F.在斜下推力的作用下，沿水平面滑动的箱子• G.计算子弹从枪口到靶心的飞行时间• H.测量子弹船过一张薄纸的时间 ACFGACFG• 2、描述物体地运动，必须选择参考系，关于参考系，下列说法中正确地是（ ）• （A）早晨太阳从方升起，参考系是地面• （B）地球绕太阳近似做圆周运动，参考系是太阳• （C）研究地面上物体的运动只能取地面为参考系• （D）在不同参考系中描述物体的运动，简繁程度会不同 ABD• 定位仪中 所示位置 ：生 活 中 的 物 理• GPS：全球定位系统 • ( 授时与测距导航系统----全球定位系统•navigation system timing and ranging—global positioning system ) • 全球定位系统是美国从20世纪70年代开 始研制，历时 20年，耗资200亿美元，于 1994年全面建成，具有在海、陆、空进行 全方位实时 三维导 航与定位能力的新一代 卫星导航与定位系统。

• 在美国,GPS全球卫星定位技术与“阿波 罗”飞船登月、航天飞机升空，同列为20世 纪“三大航天工程”生 活 中 的 物 理• GPS：全球定位系统 • ( 授时与测距导航系统----全球定位系统•navigation system timing and ranging—global positioning system )• GPS系统包括三大部分： • （1）GPS卫星（空间部分） • （2）地面支撑系统（地面监控部分） • （3）GPS接收机（用户部分）24颗GPS卫星在离地面1万2千公里的高空上，以12小时的周期环绕地 球运行，使得在任意时刻，在地面上的任意一点都可以同时观测到4颗以 上的卫星由于卫星的位置精确可知，在GPS观测中，我们可得到卫星到接收机 的距离，利用三维坐标中的距离公式，利用3颗卫星，就可以组成3个方程 式，解出观测点的位置(X,Y,Z)考虑到卫星的时钟与接收机时钟之间的误 差，实际上有4个未知数，X、Y、Z和钟差，因而需要引入第4颗卫星，形 成4个方程式进行求解，从而得到观测点的经纬度和高程事实上，接收机往往可以锁住4颗以上的卫星，这时，接收机可按卫 星的星座分布分成若干组，每组4颗，然后通过算法挑选出误差最小的一 组用作定位，从而提高精度。

由于卫星运行轨道、卫星时钟存在误差，大气对流层、电离层对信号 的影响，以及人为的SA保护政策，使得民用GPS的定位精度只有100米 为提高定位精度，普遍采用差分GPS(DGPS)技术，建立基准站(差分台)进 行GPS观测，利用已知的基准站精确坐标，与观测值进行比较，从而得出 一修正数，并对外发布接收机收到该修正数后，与自身的观测值进行比 较，消去大部分误差，得到一个比较准确的位置实验表明，利用差分 GPS，定位精度可提高到5米全球定位系统属于美国第二代卫星导航系统是在子午仪卫星导航系统的基 础上发展起来的，它采纳了子午仪系统的成功经验和子午仪系统一样，全 球定位系统由空间部分、地面监控部分和用户接收机三大部分组成该系统 的空间部分使用 24 颗高度约 2.02 万千米的卫星组成卫星星座 21+3 颗卫 星均为近圆形轨道，运行周期约为 11 小时 58 分，分布在六个轨道面上（ 每轨道面四颗），轨道倾角为 55 度卫星的分布使得在全球的任何地方， 任何时间都可观测到四颗以上的卫星，并能保持良好定位解算精度的几何图 形（ DOP ）这就提供了在时间上连续的全球导航能力 GPS 卫星已发展至 Block II 型式的定位卫星， 由 Rockwell International 制造，在轨道上重量约 1,900 磅，太阳能接收板长度约 17 呎 ，于 1994 年完成第 24 颗卫星的发射。

因此目前太空中有 24 颗 GPS 卫星 可供定位运用，绕行地球一周需 12 恒星时，每日可绕行地球 2 周，这也就 是说，不论任何时间，任何地点，至少有 4 颗以上的卫星出现在我们的上 空 目前全球有五个地面卫星监控站，分布于夏威夷、亚森欣岛、迪亚哥加 西亚、瓜加林岛、科罗拉多泉，这些卫星地面控制站，同时监控 GPS 卫星 的运作状态及它们在太空中的精确位置，主地面控制站更负责传送卫星瞬时 常数 (Ephemera's Constant) 及时脉偏差 (Clock Offsets) 的修正量，再 由卫星将这些修正量提供给 GPS 接收器做为定位运用 GPS的定位是利用卫星基本三角定位原理，GPS接收装置以测量无线电 信号的传输时间来量测距离，以距离来判定卫星在太空中的位置，这是 一种高轨道与精密定位的 观测方式假设卫星在11,000英哩高处，测量 我们的距离，首先以11,000英哩为半径，以此卫星为圆心画一圆，而我 们位置正处于球面上再假设第二颗卫星距离我们12,000英哩，而我们 正处于这二颗球所交集的圆周上现在我们再以第三颗卫星做精密定位 ，假设高度13,000 英哩，我们即可进一步缩小范围到二点位置上，但其 中一点为非我们所在的位置极有可能在太空中的某一点，因此，我们舍 弃这。