力学是物理学的基础，运动学是力学的基础之一，而想要研究一种物理现象总是先从现象的描述入手的。本章会把常识之中的模糊之处提升到科学层次来具体的描述，我们先介绍质点、参考系。

一、运动学与时空观

(1)时间、空间的本质不仅是物理学的基本问题，也是深刻的哲学问题，不断有人对它们进行研究。

20世纪初，爱因斯坦揭示了同时的相对性，用相对性原理和光速不变原理两个基本假设，建立了狭义相对论的时空观，明确指出时间和空间都与物质的运动有关，时间和空间是相互联   系的，应统一为四维时空。爱因斯坦又进一步在广义相对论中揭示了时空与物质是相互作用的，物质的分布及其运动使周围的时空发生弯曲，而弯曲的时空又反过来影响物质的运动，可以认为，广义相对论的基本思想是：物质决定了时空，而时空又决定了物质的运动。

相对轮的时空观与我们习惯接受的经典时空观是格格不入的，初学物理的人难以接受。一般说，我们只能通过自己的经验和积累的知识去认识新事物。我们周围各种物体的运动、变化都是低速情形，它们基本上都可以用经典的绝对时空观去解释。换句话说，经典的时空观对我们生活和活动的广大领域是适用的，在中学物理的教学中，我们仍然以经典的时空观进行教学，但应在适当的地方指出它的局限性，介绍现代时空观的一些常识。

(2)质点的机械运动表现为质点的位置随时间变化，质点的位置是相对于一定的参考系说的，参考系是指选来作为研究物体运动依据的一个三维的、不变形的物体（刚体）或一组物体为参考体，并在参考体上选取不共面的三条相交线作为标架，再加上与参考体固连的时钟，即参考系包括参考体、标架和时钟，习惯上我们把参考体简称为参考系，为了定量地描述物体的运动，我们在参考系上还要建立坐标系。

从运动学角度看，参考系可以任意选取。对一个具体的运动学问题，我们一般从方便出发选取参考系以简化物体运动的研究。古代研究天体的运动时，很自然以地球为参考系。托勒密的“地心说”用本轮、均轮解释行星的运动。哥白尼用“日心说”解释行星运动时，也要用本轮和均轮。从运动学角度看，“地心说”和“日心说”都可以同样好地描述行星的运动，但从研究行星运动的动力学原因的角度看，“日心说”开通了走向真理的道路。开普勒在“日心说”的基础上，把行星的圆周运动改变为椭圆运动，从而扔掉了本轮、均轮的说法，并在观测的基础上建立了行星运动三定律，做出了重要的贡献。牛顿进一步揭示了开普勒三定律的奥秘，建立了万有引力定律，概括出“万有引力”的概念。我们应该注意，从运动学看所有的参考系都是平权的，选用参考系时只考虑分析解决问题是否简便。从动力学看，参考系区分为惯性参考系和非惯性参考系两类，牛顿定律等动力学规律只对惯性参考系成立，对不同的非惯性参考系要应用牛顿定律，需引入相应的惯性力修正。

（选自人教版普通高中课程标准实验教科书物理必修一教师教学用书）

二、理想模型及其在科学研究中的作用

在自然科学的研究中，“理想模型”的建立，具有十分重要的意义。

第一，引入“理想模型”的概念，可以使问题的处理大为简化而又不会发生大的偏差。把现实世界中，有许多实际的事物与这种“理想模型”十分接近。在一定的场合、一定的条件下，作为一种近似，可以把实际事物当作“理想模型”来处理，即可以将“理想模型”的研究结果直接地应用于实际事物。例如，在研究地球绕太阳公转的运动的时候，由于地球与太阳的平均距离(约为14960万公里)比地球的半径(约为6370公里)大得多，地球上各点相对于太阳的运动可以看做是相同的，即地球的形状、大小可以忽略不计。在这种场合，就可以直接把地球当作一个“质点”来处理。在研究炮弹的飞行时，作为第一级近似，可以忽略其转动性能，把炮弹看成一个“质点”；作为第二级近似，可以忽略其弹性性能，把炮弹看成一个“刚体”。在研究一般的真实气体时，在通常的温度和压强范围内，可以把它近似地当作“理想气体”，从而直接地运用“理想气体”的状态方程来处理。

第二，对于复杂的对象和过程，可以先研究其理想模型，然后，将理想模型的研究结果加以种种的修正，使之与实际的对象相符合。这是自然科学中，经常采用的一种研究方法。例如：“理想气体”的状态方程，与实际的气体并不符合，但经过适当修正后的范德瓦尔斯方程，就能够与实际气体较好地符合了。

第三，由于在“理想模型”的抽象过程中，舍去了大量的具体材料，突出了事物的主要特性，这就更便于发挥逻辑思维的力量，从而使得“理想模型”的研究结果能够超越现有的条件，指示研究的方向，形成科学的预见。例如：在固体物理的理论研究中，常常以没有“缺陷”的“理想晶体”作为研究对象。但应用量子力学对这种“理想晶体”进行计算的结果，表明其强度竟比普通金属材料的强度大一千倍。由此，人们想到：既然“理想晶体”的强度应比实际晶体的强度大一千倍，那就说明常用金属材料的强度之所以减弱，就是因为材料中有许多“缺陷”的缘故。如果能设法减少这种“缺陷”，就可能大大提高金属材料的强度。后来，实践果然证实了这个预言。人们沿着这一思路制造出了若干极细的金属丝，其强度接近于“理想晶体”的强度，称之为“金胡须”。

总之，由于客观事物具有质的多样性，它们的运动规律往往是非常复杂的，不可能一下子把它们认识清楚。而采用理想化的客体(即“理想模型”)来代替实在的客体，就可以使事物的规律具有比较简单的形式，从而便于人们去认识和掌握它们。（选自百度）

三、全球卫星定位系统GPS

1.GPS即全球定位系统（英文名：Global Positioning System），又称全球卫星定位系统，中文简称为“球位系”，是一个中距离圆型轨道卫星导航系统，结合卫星及通讯发展的技术,利用导航卫星进行测时和测距。

2.GPS具有在海、陆、空进行全方位实施三维导航与定位能力的新一代卫星导航与定位系统。经过近十年我国测绘等部门的使用表明，全球定位系统以全天候、高精度、自动化、高效益等特点，赢得广大测绘工作者的信赖，并成功地应用于大地测量、工程测量、航空摄影测量、运载工具导航和管制、地壳运动监测、工程变形监测、资源勘察、地球动力学等多种学科，从而给测绘领域带来一场深刻的技术革命。

GPS系统并非GPS导航仪，多数人提到GPS系统首先联想到GPS导航仪，GPS导航仪只是GPS系统运用中的一部分。

3.全球定位系统组成部分

GPS系统包括三大部分: 空间部分—GPS星座(GPS星座是由24颗卫星组成的星座，其中21颗是工作卫星，3颗是备份卫星)；地面控制部分—地面监控系统；用户设备部分—GPS 信号接收机。

   

           

GPS的空间部分是由24颗工作卫星组成，它位于距地表20 200km的上空，均匀分布在6个轨道面上(每个轨道面4 颗) ，轨道倾角为55°。此外，还有4颗有源备份卫星在轨运行。这种分布使得在全球任何地方、任何时间都可观测到4颗以上的卫星，并能保持良好定位解算精度的几何图象。提供了在时间上连续的全球导航能力。（选自百度百科）

四、北斗导航系统

      

           

1.北斗卫星导航系统（以下简称北斗系统）是中国着眼于国家安全和经济社会发展需要，自主建设、独立运行的卫星导航系统，是为全球用户提供全天候、全天时、高精度的定位、导航和授时服务的国家重要空间基础设施。

随着北斗系统建设和服务能力的发展，相关产品已广泛应用于交通运输、海洋渔业、水文监测、气象预报、测绘地理信息、森林防火、通信时统、电力调度、救灾减灾、应急搜救等领域，逐步渗透到人类社会生产和人们生活的方方面面，为全球经济和社会发展注入新的活力。

卫星导航系统是全球性公共资源，多系统兼容与互操作已成为发展趋势。中国始终秉持和践行“中国的北斗，世界的北斗”的发展理念，服务“一带一路”建设发展，积极推进北斗系统国际合作。与其他卫星导航系统携手，与各个国家、地区和国际组织一起，共同推动全球卫星导航事业发展，让北斗系统更好地服务全球、造福人类。

2.基本组成

北斗系统由空间段、地面段和用户段三部分组成。

——空间段。北斗系统空间段由若干地球静止轨道卫星、倾斜地球同步轨道卫星和中圆地球轨道卫星三种轨道卫星组成混合导航星座。

——地面段。北斗系统地面段包括主控站、时间同步/注入站和监测站等若干地面站。

——用户段。北斗系统用户段包括北斗兼容其他卫星导航系统的芯片、模块、天线等基础产品，以及终端产品、应用系统与应用服务等。

3.北斗系统具有以下特点：

一是北斗系统空间段采用三种轨道卫星组成的混合星座，与其他卫星导航系统相比高轨卫星更多，抗遮挡能力强，尤其低纬度地区性能特点更为明显。

二是北斗系统提供多个频点的导航信号，能够通过多频信号组合使用等方式提高服务精度。

三是北斗系统创新融合了导航与通信能力，具有实时导航、快速定位、精确授时、位置报告和短报文通信服务五大功能。（选自中国北斗卫星导航系统官网）