物理坐标系讲解

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归纳总结出七种坐标系,分别是直角坐标系、极坐标系、柱坐标系、球坐标系、自然坐标系、质心运动坐标系、广义坐标系等,具体如下所表述:一、直角坐标系所谓直角坐标系是两两相互垂直的三维坐标系,其特点是各轴的单位矢量是不变的,各轴的上的数字是可以变化的。

通常用O-xyz的单位矢量表示为,i轴,j轴,k轴。位置矢量可表为r(矢量)= xi+ yj+ zk。

二、极坐标所谓极坐标系是一个表示径向量,另一个表示角度的量的,即切向的量所组成的坐标系,其特点是两个单位矢量是变的,径向有大小变化,角度有多少的变化。通常用O-rθ表示,其中rθ分别表示极轴(r)和角度(θ),位置矢量可表为R(矢量)= r(r,θ) ,也给用指数函数表示为R=re∧(iθ),它是一个二维空间的坐标系。它与直角坐标系的关系为x=rcosθ,y=rsinθ。

三、柱坐标。所谓柱坐标系是一个极坐标系加一个垂直于极坐标系的z轴的三维坐标系。一个表示径向量的r,另一个表示角度的量的θ,即切向的量,再加一个垂直于极坐标的z轴所组成的坐标系,其特点是两个单位矢量是变的,径向有大小变化,角度有多少的变化。z轴方向不变,大小可变,其单位矢量用k表示,通常用O-rθz表示,其中rθ分别表示极轴(r)和角度(θ),位置矢量可表为R(矢量)= r(r,θ,z) ,也给用指数函数表示为R=re∧(iθ)+zk。它与直角坐标系的关系为x=rcosθ中i,y=rsinθj,z=zk。

四、球坐标系所谓球坐标系是一个径向单位矢量r,在加二个角度的坐标的三维坐标系。一个表示径向量的R,它的方向改变,但大小不变;另两个表示角度的量的θ和β,分别表示绕z轴转动和绕y轴转动的角量。通常用O-Rθβ表示,球坐标系与直角坐标系的关系为z=Rcosβk,x=Rcosβcosθi,y=Rcosβsinθj。

五、自然坐标系所谓自然坐标系是以质点运动轨迹为依托,自然坐标系的单位矢量是以质点所处运动曲线上的位置设定,即沿运动曲线方向的切向单位矢量τ,与该点垂直于切向指向凹边的法向单位矢量n,它是坐标的二维坐标系。矢量R,表为R=Aτ+Bn,它的特点是描述物体曲线运动时,描述简化只要有切向量和法向量就可以了。特别值得注意的是理解自然坐标系有一定难度,记住曲线上任意一个点的切向和方向都是一样的,即该点的运动切向与该点的凹边方向。它可是不同点处有不同每点都有自己的切向和法向。

六、质心运动坐标系任何一个物体,在研究它的整体运动时,可把该物体的质量集中到物体的质心上。即可把物体视为质点。质点运动坐标系是运动坐标系,即该坐标系的单位矢量相对静止坐标系是变化的。因此,在研究物体运动时,有牵连参照系,即运动系,所以相对静止系的位置矢量为r(绝对)= r(牵连)+ r(相对)速度有 V(绝对)= V(牵连)+ V(相对)如果用r=ri以二维空间为例,单位矢量的导数有如下关系(di/dt)= jθ',(dj/dt)=- iθ',速度 V=(ri)'= r'i+ri'= r'i+rjθ'加速度a=( r"-rθ'²) i+(1)( d/dt(r²θ'))七、广义坐标系在分析力学中,专门定义了广义坐标系,对立自由度组成广义坐标,又广义坐标组成的坐标系就叫广义坐标系。在n个质点所形成的力学系统里,如果有k个几何约束,fα(x,y,z,t)=0 (α=12……k)那么有对立坐标数 S=3n-kri=ri(q1,...qs,t) ( i=12...n, s<3n)q1,... qs就叫广义坐标系

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