lrh 质点参考系和坐标系2

第一章运动的描述§1.1质点参考系和坐标系无锡市第一女子中学李如虎2010年9月1日制作绿水青山枉自多，华佗无奈小虫何！千村薜荔人遗矢，万户萧疏鬼唱歌。坐地日行八万里，巡天遥看一千河。牛郎欲问瘟神事，一样悲欢逐逝波。思考题：我们坐在教室，同学们想过没有，我们到底是运动还是静止的呢？§1-1质点、参考系和坐标系毛泽东著名诗词《送瘟神》中有一句名言：“坐地日行八万里，巡天遥看一千河”这句话中描述的：人到底是运动还是静止的呢？人真的能“坐地日行八万里”吗？S=2πR=2×π×6400km=40192km=80384(里)大家一起来讨论下右边的这幅图车中的人是静止还是运动的？？乙甲§1-1质点、参考系和坐标系一、机械运动☆1、定义：如果一个物体相对于另一个物体的位置发生了变化，我们就说这个物体发生了机械运动。注：物体空间位置随时间的变化（远近和方位）。2、关于机械运动的几点说明：①运动是绝对的、永恒的，而静止是相对的；②自然界中一切物体都在不停地运动着；③描述物体的运动必须要有个参照标准（参照物）；④位置变化：物体之间的距离或方位如果发生变化；或距离和方位都发生了变化。二、参考系☆1、定义：描述一个物体的运动时，选定作为参考的其他物体。或☆为了研究物体的机械运动而事先假定为不动的物体叫参考系。想一想：我们究竟应该怎样选择参考系呢？可以随便选吗？有什么讲究或者说有什么原则吗？例题：匀速飞行的飞机上，驾驶员看跳伞员是直线下落还是直线下落呢？地面上的人观察跳伞员和驾驶员看到的一样吗？二、参考系2、关于参考系的几点说明：①描述物体是否运动关键是看物体相对于参考系的位置是否发生变化，事先假定参考系不动；②通常选取地面或静止在地面上的物体为参考系；③参考系的选取可以是任意的，实际解题应以观测方便和对物体运动的描述尽可能简单为原则；④选取不同的参考系来观察同一物体的运动结果往往不同；⑤比较两个物体的运动应选同一参考系。课堂练习1：1.描述一个物体运动时，参考系：()A.可以任意选取B.是一定的2.选择不同的参考系来观察同一个物体的运动时，其结果：()A.可能不同B.一定相同AA问题讨论：（分组）（1）火车（高铁G7057）从无锡到上海只要40分钟时间，运行路程为126公里。请问这126公里的路程是量的车头还是车尾？测量这个距离时需要考虑火车的大小和车轮的转动情况吗？（2）投掷手榴弹时怎么样测量投掷距离？需要考虑手榴弹的转动情况吗？投掷铁饼、标枪呢？（3）研究百米赛跑的快慢时要考虑人的手臂摆动情况吗？（4）某列火车通过南京长江大桥用时1分钟，这时可以将火车当做一个点来处理吗？讨论:当我们研究地球公转的规律时地球可以看成一个点吗?如果研究地球自转，考查地球上各点的运动，还可以把地球看作一个点吗？再看下面的例子三、物体和质点☆1、质点的定义：用来代替物体的有质量的点。☆2、物体可以看作质点的条件：物体的形状、大小、体积对所研究的问题的影响可以忽略不计。3、模型法：①质点是一种科学抽象的理想模型；②物体本身大小不是能否看成质点的标准；③物体能否看成质点取决于所研究问题的性质，同一物体有时可看成质点，有时不可看作质点。质点是人们为了使实际问题简化而引入的理想化模型。引入理想化模型，抓住主要矛盾，忽略次要矛盾，尽可能把复杂问题简单化，是物理学上经常用到的一种研究问题的方法——科学抽象。物理学对实际问题的简化，必须从实际出发，撇开不考虑的只能是与当前考察无关的因素，和对当前考察影响很小的次要因素。关于模型法的说明：课堂练习2：3.质点是没有,没有,具有物体的点4.能看作质点的物体一定是很小的物体吗?5.质点是一种的模型,实际中是不存在的!大小形状全部质量理想化思考：如果一个可以看做质点的物体沿直线运动，怎样定量的描述物体的位置变化呢?请同学们看书的第11页回答上面的回题!四、坐标系1、坐标系：x/m0123-1一维二维（直角坐标系）x/my/m102-2-1-1-2212、全球卫星定位系（GPS）三维（立体坐标系）☆关于坐标系要注意以下几点：☆（a）坐标系相对参考系是静止的。☆（b）坐标的三要素：原点、正方向、标度单位。☆（c）用坐标表示质点的位置。☆（d）用坐标的变化描述质点的位置改变。四、课堂小结：2.本节课还学习了质点、参考系的概念及参考系的选取原则。3.本节课同时学习了如何利用坐标系来描述物体的位置和位置变化的方法，以及应用坐标系要注意的问题？1.本节课学习了机械运动的概念，知道了运动是绝对的、永恒的，静止是相对的。下节课要默写的问题：1.什么叫机械运动？2.什么叫质点？3.物体可以看成质点的条件是什么？4.什么叫参考系？5.参考系的选择有什么讲究？6.关于坐标系要注意哪几点？默写问题的答案：1.什么叫机械运动？答：如果一个物体相对于另一个物体的位置发生了变化，我们就说这个物体发生了机械运动。2.什么叫质点？答：忽略掉物体的形状和大小，用来代替物体的有质量的点。3.物体可以看成质点的条件是什么？答：物体的形状、大小、体积对所研究的问题的影响可以忽略不计。或物体的大小（线度）与所研究的距离相比可以忽略不计。4.什么叫参考系？答：描述一个物体的运动时，选定作为参考的其他物体。或为了研究物体的机械运动而事先假定为不动的物体叫参考系。5.参考系的选择有什么讲究？答：参考系的选取是任意的；实际解题应以观测方便和对物体运动的描述尽可能简单为原则；通常情况下选取地面或静止在地面上的物体做参考系。6.坐标系的三要素是什么？答：坐标系的三要素是：坐标系的原点、正方向和标度（长度）单位。1、课本P11页：《问题与练习》中的第1、2、3题写在作业本上。2、预习第2节：《时间和位移》3、完成练习卷P5--8页作业：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BlockII型式的定位卫星，由RockwellInternational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'sConstant)及时脉偏差(ClockOffsets)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，我们舍弃这一点参考点，选择另一点为位置参考点。如果要获得更精确的定位，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。