1.1.2 参考系坐标系
在自然界中,大到星系,小到原子、电子,都在永不停息地运动。自然界的一切物质都处于运动之中,运动是物质的存在形式,是物质的固有属性,运动存在于人们的意识之外。因此说运动是绝对的。
要描述一个物体的机械运动,首先要描述它的位置。而位置总是相对的,说明某物体的位置时,总是要相对于另一参考物体而言。为了描述物体的运动而选为参考的物体,叫参考系(或参照系)。例如,要研究公路上汽车的运动,可以选择地面或路旁静止的物体作为参考系。
参考系可以根据研究或描述的需要而选取。对于同一个物体的运动,如果选取不同的参考系,那么对这一运动的描述就会不同。例如,当你乘坐电梯上楼时,以电梯为参考系描述你的运动是静止的,而以地面为参考系描述你的运动则是竖直上升的。这称为运动描述的相对性。因此,在描述一个物体的运动时必须指明参考系。最常用的参考系是以地球表面为参照的参考系,一般不用特别指明。
为了精确量化确定物体相对于参考系的位置,需要在参考系上选用一个固定的坐标系。运动物体的位置就由它在坐标系中的坐标值决定。这个坐标系与参考系固定地连成一体,则物体相对于坐标系的运动,也就是相对于参考系的运动。不仅如此,坐标系还可以起到刻度标尺的作用,定量地确定物体的位置。一般在参考系上选定一点作为坐标系的原点,取通过原点并标有长度的线作为坐标轴。常用的坐标系是直角坐标系,有时根据需要,我们也可以选用其他的坐标系,如自然坐标系、极坐标系、球坐标系等。在直角坐标系(如图1.1所示)下,以参考系上一固定点为原点,记作O,从O点沿三个互相垂直的方向引三条固定的且有刻度和方向的直线作为坐标轴,通常记作x轴、y轴、z轴,且一般x轴、y轴、z轴满足右手螺旋关系,即伸开右手,四指从x轴转向y轴,拇指所指的方向就是z轴。一个质点任意时刻的位置就可以用坐标(x,y,z)来准确表示。
图1.1 直角坐标系