高一物理质点参考系和坐标系.ppt

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1、,1.1、质点 参考系和坐标系,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,精确描述之难,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,我们是否要考虑飞机本身大小？,车箱的颤动我们考虑吗？,我

2、们已经很自然的忽略某些次要因素（如形状、大小），只关心主要的方面。,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）,矛盾的主次方面,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、下列关于质点的说法中，正确的是（）A、体积很小的

3、物体都可看成质点B、质量很小的物体都可看成质点C、不论物体的质量多大，只要物体的尺寸跟物体间距相比甚小时，就可以看成质点D、只有低速运动的物体才可看成质点，高速运动的物体不可看作质点,想一想，做一做,2、下列情形中的物体可以看作质点的是（）A、跳水冠军郭晶晶在跳水比赛中B、一枚硬币用力上抛，猜测它落地时是正面朝上还是反面朝上C、奥运会冠军邢慧娜在万米长跑中D、花样滑冰运动员在比赛中,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

4、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

5、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、电影闪闪的红星中有两句歌词：“小小竹排江中游，巍巍青山两岸走。”这其中分别描述了两种运动情景，那么它们分别是以什么为参考系的？,2、“月亮在莲花般的云朵里穿行”,3、坐在美丽的校园内学习毛泽东的诗句“坐地日行八万里，巡天遥看一千河”时，我们感觉是

6、静止不动的。这与诗句里的描述是否矛盾？说明理由。,4、敦煌曲子词中有这样的诗句：“满眼风波多闪烁，看山恰似走来迎，仔细看山山不动，是船行”其中“看山恰似走来迎”和“是船行”所选的参考系分别是什么？,想一想，做一做,河岸、竹排,云朵,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？,笛卡儿发明坐标系,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,对于在平面上运动的物

7、体，例如冰场上的花样滑冰运动员，要描述他们的位置，你认为应该怎样建立坐标系？,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

8、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。,ACFG,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）早晨太阳从东方升起，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

9、system timing and rangingglobal 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 rangingglobal positioning system)GPS系统包括三大部分：（1）G

10、PS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

11、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

12、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,

13、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(Ephemeras 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

14、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，我们舍弃这一点参考点，选择另一点为位置参考点。如果要获得

15、更精确的定位，则必定要再测量第四个颗卫星，从基本物理的观念上来说，以讯号传输的时间乘以速度即是我们与卫星的距离，我们将此测得的距离称为虚拟距离，在GPS的测量上，我们测的是无线信号，速度几乎达18万6千英哩/Sec的光速，而时间却短的惊人，甚至只要0.06秒，时间的测量需要二个不同的时表，一个时表装置于卫星上以记录无线电信号传送的时间，另一个时表则装置在接收器上，用以记录无线电信号接收的时间，虽然卫星传送信号至接收器的时间极短，但时间上并不同步，假设卫星与接收器同时发出声音给我们，我们会听到二种不同的声音，这是因为卫星从 11,000英哩远的地方传来，所以会有延迟的时间，因此，我们可以延迟接收器的时间，从此延迟的时间速度，就是接收器到卫星的距离，此即为GPS 的基本定位原理。,