质点参考系和坐标系2

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第一章,运动的描述,1.1质点 参考系和坐标系,毛主席著名诗词送瘟神中：,“坐地日行八万里，巡天遥看一天河”,从这句话中,描述的：人到底是运动还是静止的呢？,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,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？,一、机械运动,1,、定义：物体空间位置随时间的变化,。,2,、,注：,运动是绝对的，静止是相对的；,自然界中一切物体都在不停地运动着；,描述物体的运动必须要有个参照标准；,位置的变化：,一个物体相对于另一物体,物体的一部分相对于另一部分。,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。,2,、,注：,描述物体是否运动是看相对于参考系的位置是否改变，事先假定参考系不动；,选取不同的参考系来观察同一物体的运动结果往往是不同；,参考系的选取可以是任意的，实际解题应以观测方便和使物体的运动尽可能简单为原则；,通常选取地面为参考系；,比较两个物体的运动应选同一参考系。,课堂反馈：,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运动时,其结果(,),A.,可能不同,B.,一定相同,A,A,提问:,当我们研究地球公转的规律时怎么样看待 地球?,如果研究其自转,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,、注：质点是一种科学抽象的理想模型；,物体本身大小不是能否看成质点的标准；,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。,课堂反馈：,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,如果一个物体可以看做质点的物体沿直线运,怎样定量的描述物体的位置变化呢?,请,同学们看书的第12页回答上面的回题!,四、坐标系,1、,坐标系：,x/m,0,1,2,3,-1,一维,二维（直角坐标系）,x/m,y/m,1,0,2,-2,-1,-1,-2,2,1,2、全球卫星定位系（,GPS）,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,(,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,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。,四，课堂小结：,1，本堂课学习了质点、参考系概念及参考系的选取原则。,2，学习了如何利用坐标系来描述物体的位置和位置变化。,课后作业：,P13,面的第1题、第2题和第3题。,