Выход из тупика был найден датским ученым Нильсом Бором в 1913 году, получившим Нобелевскую премию в 1922 году.
Бор высказал предположения, которые были названы постулатами Бора .
· Первый постулат (постулат стационарных состояний ): электроны движутся только по определенным (стационарным ) орбитам. При этом , даже двигаясь с ускорением , они не излучают энергию.
· Второй постулат (правило частот ): излучение и поглощение энергии в виде кванта света (h n ) происходит лишь при переходе электрона из одного стационарного состояния в другое. Величина светового кванта равна разности энергий тех стационарных состояний , между которыми совершается скачок электрона: .
Отсюда следует, что изменение энергии атома, связанное с излучением при поглощении фотона, пропорционально частоте ν:
Правило квантования орбит : из всех орбит электрона возможны только те , для которых момент импульса равен целому кратному постоянной Планка:
| , | (6.3.2) |
где n = 1, 2, 3,… – главное квантовое число.
Получим выражение для энергии электрона в атоме.
Рассмотрим электрон (рис. 6.6,а), движущийся со скоростью в поле атомного ядра с зарядом Ze (при Z = 1 – атом водорода).
 | |||
| а | б |
Уравнение движения электрона имеет вид:
 .
|
(6.3.3) |
Из формулы (6.3.3) видно, что центробежная сила равна кулоновской силе, где .
Подставим значение υ из (6.3.2) в (6.3.3) и получим выражение для радиусов стационарных орбит (рис.6.6,б):
| . | (6.3.4) |
Радиус первой орбиты водородного атома называют боровским радиусом . При n =1, Z = 1 для водорода имеем:
Å = 0,529·10 –10 м.
Внутренняя энергия атома слагается из кинетической энергии электрона (ядро неподвижно) и потенциальной энергией взаимодействия электрона с ядром:
.
Из уравнения движения электрона следует, что , т.е. кинетическая энергия равна потенциальной. Тогда можно записать:
.
Подставим сюда выражение для радиуса первой орбиты и получим:
 .
|
(6.3.5) |
Здесь учтено, что постоянная Планка , т.е. .
Для атома водорода при Z = 1 имеем:
 .
|
(6.3.6) |
Из формулы (6.3.6) видно, что принимает только дискретные значения энергии, т.к. n = 1, 2, 3….
Схема энергетических уровней, определяемых уравнением (6.3.6) показана на рис. 6.1 и 6.7.
При переходе электрона в атоме водорода из состояния n в состояние k излучается фотон с энергией:
.
Частота излучения:
.
Получена обобщенная формула Бальмера, которая хорошо согласуется с экспериментом. Выражение перед скобками, как уже было сказано, носит название постоянной Ридберга :
.
Серьезным успехом теории Бора явилось вычисление постоянной Ридберга для водородоподобных систем и объяснение структуры их линейчатых спектров. Бору удалось объяснить линии спектра ионизованного гелия. Он теоретически вычислил отношение массы протона к массе электрона , что находилось в соответствии с экспериментом, является важным подтверждением основных идей, содержащихся в его теории. Теория Бора сыграла огромную роль в создании атомной физики. В период ее развития (1913–1925) были сделаны важные открытия, навсегда вошедшие в сокровищницу мировой науки.
Однако, наряду с успехами, в теории Бора с самого начала обнаружились существенные недостатки. Главнейшим из них была внутренняя противоречивость теории: механическое соединение классической физики с квантовыми постулатами. Теория не могла объяснить вопрос об интенсивностях спектральных линий. Серьезной неудачей являлась абсолютная невозможность применить теорию для объяснения спектров атома гелия, содержащего два электрона на орбите и тем более для многоэлектронных атомов (рис. 6.8).
Стало ясно, что теория Бора является лишь переходным этапом на пути создания более общей и правильной теории. Такой теорией и явилась квантовая механика.
Для просмотра демонстраций щелкните по соответствующей гиперссылке:
| M |
| Q |
| R |
| O |
| Рис.15 |
| z |
| O |
| y |
| x |
Точка О называется началом координат. Первая ось называется осью Ох , или осью абсцисс, вторая – осью Оу , или осью ординат, третья – осью Оz , или осью аппликат. Плоскость, проходящая через две оси из трех Ох , Оу , Оz , называется координатой плоскостью; координатных плоскостей 3. Они обозначаются так: yOz , zOx и xOy .
Пусть М – произвольная точка пространства. Обозначим через Р проекцию точки М на ось Ох параллельно плоскости yOz , а через х – координату точки Р на оси Ох . Через Q обозначим проекцию точки М на ось Оу параллельно плоскости zOx , а через у – координату точки Q на оси Оу . Через R обозначим проекцию точки М на ось Оz параллельно плоскости xOy , а через z – координату точки R на оси Оz (См. рис. 15).
Три числа x , y , z взятые в этом порядке, называются общими декартовыми (или аффинными) координатами точки М . Первая координата называется абсциссой точки М , вторая у – ординатой точки М , и третья z – аппликатой точки М . Точка М с координатами x , y , z обозначается М (x , y , z ).
Абсцисса точки М равна нулю тогда и только тогда, когда точка М лежит на плоскости yOz . Аналогично про ординату и аппликату.
Отсюда следуют, что точка М (x , y , z ) лежит на оси Ох тогда и только тогда, когда у =z =0, аналогично про оси Оу , Оz . Для начала координат х =у =z =0.
Точки , называются единичными точками осей координат. Точка называется единичной точкой системы координат .
Параллелепипед с вершиной в начале координат О и с ребрами, называется масштабным параллелепипедом. Отрезки, являются масштабными отрезками соответственно осей Ох, Оу, Оz. Векторы
называется масштабными векторами сответственно осей Ох , Оу , Оz .
При помощи общей декартовой системы координат устанавливается взаимно однозначное соответствие между множеством всех точек пространства и множеством всех упорядоченных троек действительных чисел. Здесь для построения точки М , имеющей координатами заданные числа х , у , z , поступают так: если то строят на осях Ох , Оу , Оz точки P , Q , R , имеющие на этих осях координаты, соответственно равные х , у , z и проводят через точки P , Q , R плоскости, соответственно параллельные координатным плоскостям уОz , zOx , xOy ; точка М – есть точка пересечения этих плоскостей.
Декартовой прямоугольной системой координат в пространстве называется упорядоченная тройка попарно перпендикулярных осей координат с общим началом координат О на каждой из них и с одним и тем же масштабным отрезком для каждой оси (см.рис.).
Декартовы прямоугольные координаты точки М определяются аналогично. Это ортогональные проекции точки М на оси Ох , Оу , Оz .
Отметим, что часто масштабные векторы осей Ох , Оу , Оz в декартовой прямоугольной системе координат обозначаются.
), с помощью которых определяют положение светил и вспомогательных точек на небесной сфере. В астрономии употребляют различные системы небесных координат. Каждая из них по существу представляет собой сферическую систему координат (без радиальной координаты) с соответствующим образом выбранной фундаментальной плоскостью и началом отсчёта. В зависимости от выбора фундаментальной плоскости система небесных координат называется горизонтальной (плоскость горизонта), экваториальной (плоскость экватора), эклиптической (плоскость эклиптики) или галактической (галактическая плоскость).
Координаты на плоскости и в пространстве можно вводить бесконечным числом разных способов. Решая ту или иную математическую или физическую задачу методом координат, можно использовать различные координатные системы, выбирая ту из них, в которой задача решается проще или удобнее в данном конкретном случае. Известным обобщением системы координат являются системы отсчёта и системы референции .
Энциклопедичный YouTube
1 / 5
Модель декартовой системы координат.
Геометрия 11 класс - Прямоугольная система координат в пространстве
Координатная плоскость ➽ Алгебра 7 класс ➽ Видеоурок
Видеоурок "Полярная система координат"
Прямоугольная система координат в пространстве. Координаты вектора. Видеоурок по геометрии 11 класс
Субтитры
Основные системы
В этом разделе даются разъяснения к наиболее употребляемым системам координат в элементарной математике.
Декартовы координаты
Расположение точки P на плоскости определяется декартовыми координатами с помощью пары чисел (x , y) : {\displaystyle (x,y):}
В пространстве необходимо уже 3 координаты (x , y , z) : {\displaystyle (x,y,z):}
Полярные координаты
В полярной системе координат , применяемой на плоскости, положение точки P определяется её расстоянием до начала координат r = |OP| и углом φ её радиус-вектора к оси Ox .
В пространстве применяются обобщения полярных координат - цилиндрические и сферические системы координат.
Цилиндрические координаты
Цилиндрические координаты - трёхмерный аналог полярных, в котором точка P представляется упорядоченной тройкой (r , φ , z) . {\displaystyle (r,\varphi ,z).}
Примечание: в литературе для первой (радиальной) координаты иногда используется обозначение ρ , для второй (угловой, или азимутальной) - обозначение θ , для третьей координаты - обозначение h .Полярные координаты имеют один недостаток: значение φ не определено при r = 0 .
Цилиндрические координаты полезны для изучения систем, симметричных относительно некоторой оси. Например, длинный цилиндр с радиусом R в декартовых координатах (с осью z , совпадающей с осью цилиндра) имеет уравнение x 2 + y 2 = R 2 , {\displaystyle x^{2}+y^{2}=R^{2},} тогда как в цилиндрических координатах оно выглядит гораздо проще, как r = R .
Сферические координаты
Сферические координаты - трёхмерный аналог полярных.
В сферической системе координат расположение точки P определяется тремя компонентами: (ρ , φ , θ) . {\displaystyle (\rho ,\varphi ,\theta).} В терминах декартовой системы координат,
Примечание: в литературе иногда азимут обозначается θ , а полярный угол - φ . Иногда для радиальной координаты используется r вместо ρ . Кроме того, диапазон углов для азимута может выбираться как (−180°, +180°] вместо диапазона , а не в диапазоне . Иногда порядок координат в тройке выбирается отличным от описанного; например, полярный и азимутальный углы могут быть переставлены.Сферическая система координат также имеет недостаток: φ и θ не определены, если ρ = 0; угол φ не определён также и для граничных значений θ = 0 и θ = 180° (или для θ = ±90°, в случае принятия соответствующего диапазона для этого угла).
Для построения точки P по её сферическим координатам нужно от полюса вдоль положительной полуоси z отложить отрезок, равный ρ , повернуть его на угол θ вокруг оси y x , и затем повернуть на угол θ вокруг оси z в направлении положительной полуоси y .
Сферические координаты полезны при изучении систем, симметричных относительно точки. Так, уравнение сферы с радиусом R в декартовых координатах с началом отсчёта в центре сферы выглядит как x 2 + y 2 + z 2 = R 2 , {\displaystyle x^{2}+y^{2}+z^{2}=R^{2},} тогда как в сферических координатах оно становится намного проще: ρ = R . {\displaystyle \rho =R.}
Другие распространённые системы координат
- Аффинная (косоугольная) система координат - прямолинейная система координат в аффинном пространстве . На плоскости задается точкой начала координат О и двумя упорядоченными неколлинеарными векторами , которые представляют собой аффинный базис. Осями координат в данном случае называются прямые , проходящие через точку начала координат параллельно векторам базиса, которые, в свою очередь, задают положительное направление осей. В трехмерном пространстве , соответственно, аффинная система координат задается тройкой линейно независимых векторов и точкой начала координат. Для определения координат некоторой точки М вычисляются коэффициенты разложения вектора ОМ по векторам базиса .
- Барицентрические координаты были впервые введены в 1827 году А. Мебиусом , решавшим вопрос о центре тяжести масс, расположенных на вершинах треугольника . Они аффинно инвариантны, представляют собой частный случай общих однородных координат . Точка с барицентрическими координатами расположена в n -мерном векторном пространстве E n , а собственно координаты при этом относятся к фиксированной системе точек, которые не лежат в (n −1)-мерном подпространстве. Барицентрические координаты используются также и в алгебраической топологии применительно к точкам симплекса .
- Биангулярные координаты - частный случай бицентрических координат, система координат на плоскости, задаваемая двумя фиксированными точками С 1 и С 2 , через которые проводится прямая, выступающая в качестве оси абсцисс. Позиция некоторой точки P , которая не лежит на этой прямой, определяется углами PC 1 C 2 и PC 2 C 1 .
- Биполярные координаты характеризуются тем, что в качестве координатных линий на плоскости в этом случае выступают два семейства окружностей с полюсами A и B , а также семейство окружностей, ортогональных к ним. Преобразование биполярных координат в декартовы прямоугольные осуществляется посредством специальных формул. Биполярные координаты в пространстве называются бисферическими; в этом случае координатными поверхностями являются сферы , поверхности, образуемые вращением дуг окружностей, а также полуплоскости , проходящие через ось O z .
- Бицентрические координаты - всякая система координат, которая основана на двух фиксированных точках и в рамках которой положение некоторой другой точки определяется, как правило, степенью её удаления или вообще позицией относительно этих двух основных точек. Системы подобного рода могут быть довольно полезны в определённых сферах научных исследований .
- Бицилиндрические координаты - система координат, которая образуется в том случае, если система биполярных координат на плоскости O xy параллельно переносится вдоль оси O z . В качестве координатных поверхностей в этом случае выступают семейство пар круговых цилиндров , оси которых параллельны, семейство ортогональных к ним круговых цилиндров, а также плоскость. Для перевода бицилиндрических координат в декартовы прямоугольные для трехмерного пространства также применяются специальные формулы .
- Конические координаты - трехмерная ортогональная система координат, состоящая из концентрических сфер, которые описываются посредством их радиуса , и двух семейств перпендикулярных конусов , расположенных вдоль осей x и z .
- Координаты Риндлера используются преимущественно в рамках теории относительности и описывают ту часть плоского пространства-времени , которая обыкновенно называется пространством Минковского . В специальной теории относительности равномерно ускоряющаяся частица находится в гиперболическом движении , и для каждой такой частицы в координатах Риндлера может быть выбрана такая точка отсчёта , относительно которой она покоится.
- Параболические координаты - это двумерная ортогональная система координат, в которой координатными линиями является совокупность конфокальных парабол . Трехмерная модификация параболических координат строится путём вращения двумерной системы вокруг оси симметрии этих парабол. У параболических координат также имеется определенный спектр потенциальных практических приложений: в частности, они могут использоваться применительно к эффекту Штарка . Параболические координаты связаны определенным отношением с прямоугольными декартовыми .
- Проективные координаты существуют, согласно наименованию, в проективном пространстве П n (К ) и представляют собой взаимно однозначное соответствие между его элементами и классами конечных подмножеств элементов тела К , характеризующихся свойствами эквивалентности и упорядоченности. Для определения проективных координат проективных подпространств достаточно определить соответствующие координаты точек проективного пространства. В общем случае относительно некоторого базиса проективные координаты вводятся чисто проективными средствами .
- Тороидальная система координат - трехмерная ортогональная система координат, получаемая в результате вращения двумерной биполярной системы координат вокруг оси, разделяющей два её фокуса. Фокусы биполярной системы, соответственно, превращаются в кольцо с радиусом а , лежащее на плоскости xy тороидальной системы координат, в то время как ось z становится осью вращения системы. Фокальное кольцо также называют иногда базовой окружностью .
- Трилинейные координаты являются одним из образцов однородных координат и имеют своей основой заданный треугольник, так что положение некоторой точки определяется относительно сторон этого треугольника - главным образом степенью удаленности от них, хотя возможны и другие вариации. Трилинейные координаты могут быть относительно просто преобразованы в барицентрические; кроме того, они также конвертируемы в двумерные прямоугольные координаты, для чего используются соответствующие формулы .
- Цилиндрические параболические координаты - трехмерная ортогональная система координат, получаемая в результате пространственного преобразования двумерной параболической системы координат. Координатными поверхностями, соответственно, служат конфокальные параболические цилиндры. Цилиндрические параболические координаты связаны определенным отношением с прямоугольными, могут быть применены в ряде сфер научных исследований .
- Эллипсоидальные координаты - эллиптические координаты в пространстве. Координатными поверхностями в данном случае являются эллипсоиды , однополостные гиперболоиды , а также двуполостные гиперболоиды, центры которых расположены в начале координат. Система ортогональна. Каждой тройке чисел, являющихся эллипсоидальными координатами, соответствуют восемь точек, которые относительно плоскостей системы O xyz симметричны друг другу .
Переход из одной системы координат в другую
Декартовы и полярные
где u 0 - функция Хевисайда с u 0 (0) = 0 , {\displaystyle u_{0}(0)=0,} а sgn - функция signum . Здесь функции u 0 и sgn используются как «логические» переключатели, аналогичные по значению операторам «если.. то» (if…else) в языках программирования. Некоторые языки программирования имеют специальную функцию atan2 (y , x ), которая возвращает правильный φ в необходимом квадранте , определённом координатами x и y .
Декартовы и цилиндрические
x = r cos φ , {\displaystyle x=r\,\cos \varphi ,} y = r sin φ , {\displaystyle y=r\,\sin \varphi ,} r = x 2 + y 2 , {\displaystyle r={\sqrt {x^{2}+y^{2}}},} φ = arctg y x + π u 0 (− x) sgn y , {\displaystyle \varphi =\operatorname {arctg} {\frac {y}{x}}+\pi u_{0}(-x)\,\operatorname {sgn} y,} z = z . {\displaystyle z=z.\quad } (d x d y d z) = (r cos θ − r sin φ 0 r sin θ r cos φ 0 0 0 1) ⋅ (d r d φ d z) , {\displaystyle {\begin{pmatrix}dx\\dy\\dz\end{pmatrix}}={\begin{pmatrix}r\cos \theta &-r\sin \varphi &0\\r\sin \theta &r\cos \varphi &0\\0&0&1\end{pmatrix}}\cdot {\begin{pmatrix}dr\\d\varphi \\dz\end{pmatrix}},} (d r d φ d z) = (x x 2 + y 2 y x 2 + y 2 0 − y x 2 + y 2 x x 2 + y 2 0 0 0 1) ⋅ (d x d y d z) . {\displaystyle {\begin{pmatrix}dr\\d\varphi \\dz\end{pmatrix}}={\begin{pmatrix}{\frac {x}{\sqrt {x^{2}+y^{2}}}}&{\frac {y}{\sqrt {x^{2}+y^{2}}}}&0\\{\frac {-y}{\sqrt {x^{2}+y^{2}}}}&{\frac {x}{\sqrt {x^{2}+y^{2}}}}&0\\0&0&1\end{pmatrix}}\cdot {\begin{pmatrix}dx\\dy\\dz\end{pmatrix}}.}Декартовы и сферические
x = ρ sin θ cos φ , {\displaystyle {x}=\rho \,\sin \theta \,\cos \varphi ,\quad } y = ρ sin θ sin φ , {\displaystyle {y}=\rho \,\sin \theta \,\sin \varphi ,\quad } z = ρ cos θ ; {\displaystyle {z}=\rho \,\cos \theta ;\quad } ρ = x 2 + y 2 + z 2 , {\displaystyle {\rho }={\sqrt {x^{2}+y^{2}+z^{2}}},} θ = arccos z ρ = arctg x 2 + y 2 z , {\displaystyle {\theta }=\arccos {\frac {z}{\rho }}=\operatorname {arctg} {\frac {\sqrt {x^{2}+y^{2}}}{z}},} φ = arctg y x + π u 0 (− x) sgn y . {\displaystyle {\varphi }=\operatorname {arctg} {\frac {y}{x}}+\pi \,u_{0}(-x)\,\operatorname {sgn} y.} (d x d y d z) = (sin θ cos φ ρ cos θ cos φ − ρ sin θ sin φ sin θ sin φ ρ cos θ sin φ ρ sin θ cos φ cos θ − ρ sin θ 0) ⋅ (d ρ d θ d φ) , {\displaystyle {\begin{pmatrix}dx\\dy\\dz\end{pmatrix}}={\begin{pmatrix}\sin \theta \cos \varphi &\rho \cos \theta \cos \varphi &-\rho \sin \theta \sin \varphi \\\sin \theta \sin \varphi &\rho \cos \theta \sin \varphi &\rho \sin \theta \cos \varphi \\\cos \theta &-\rho \sin \theta &0\end{pmatrix}}\cdot {\begin{pmatrix}d\rho \\d\theta \\d\varphi \end{pmatrix}},} (d ρ d θ d φ) = (x / ρ y / ρ z / ρ x z ρ 2 x 2 + y 2 y z ρ 2 x 2 + y 2 − (x 2 + y 2) ρ 2 x 2 + y 2 − y x 2 + y 2 x x 2 + y 2 0) ⋅ (d x d y d z) . {\displaystyle {\begin{pmatrix}d\rho \\d\theta \\d\varphi \end{pmatrix}}={\begin{pmatrix}x/\rho &y/\rho &z/\rho \\{\frac {xz}{\rho ^{2}{\sqrt {x^{2}+y^{2}}}}}&{\frac {yz}{\rho ^{2}{\sqrt {x^{2}+y^{2}}}}}&{\frac {-(x^{2}+y^{2})}{\rho ^{2}{\sqrt {x^{2}+y^{2}}}}}\\{\frac {-y}{x^{2}+y^{2}}}&{\frac {x}{x^{2}+y^{2}}}&0\end{pmatrix}}\cdot {\begin{pmatrix}dx\\dy\\dz\end{pmatrix}}.}Цилиндрические и сферические
r = ρ sin θ , {\displaystyle {r}=\rho \,\sin \theta ,} φ = φ , {\displaystyle {\varphi }=\varphi ,\quad } z = ρ cos θ ; {\displaystyle {z}=\rho \,\cos \theta ;} ρ = r 2 + z 2 , {\displaystyle {\rho }={\sqrt {r^{2}+z^{2}}},} θ = arctg z r + π u 0 (− r) sgn z , {\displaystyle {\theta }=\operatorname {arctg} {\frac {z}{r}}+\pi \,u_{0}(-r)\,\operatorname {sgn} z,} φ = φ . {\displaystyle {\varphi }=\varphi .\quad } (d r d φ d h) = (sin θ ρ cos θ 0 0 0 1 cos θ − ρ sin θ 0) ⋅ (d ρ d θ d φ) , {\displaystyle {\begin{pmatrix}dr\\d\varphi \\dh\end{pmatrix}}={\begin{pmatrix}\sin \theta &\rho \cos \theta &0\\0&0&1\\\cos \theta &-\rho \sin \theta &0\end{pmatrix}}\cdot {\begin{pmatrix}d\rho \\d\theta \\d\varphi \end{pmatrix}},} (d ρ d θ d φ) = (r r 2 + z 2 0 z r 2 + z 2 − z r 2 + z 2 0 r r 2 + z 2 0 1 0) ⋅ (d r d φ d z) . {\displaystyle {\begin{pmatrix}d\rho \\d\theta \\d\varphi \end{pmatrix}}={\begin{pmatrix}{\frac {r}{\sqrt {r^{2}+z^{2}}}}&0&{\frac {z}{\sqrt {r^{2}+z^{2}}}}\\{\frac {-z}{r^{2}+z^{2}}}&0&{\frac {r}{r^{2}+z^{2}}}\\0&1&0\end{pmatrix}}\cdot {\begin{pmatrix}dr\\d\varphi \\dz\end{pmatrix}}.}Построение Декартовой прямоугольной системы координат
на плоскости
Декартова прямоугольная система координатна плоскости образуется двумя взаимно перпендикулярными осями координат OX 1 и OX 2 , которые пересекаются в точке O , называемой началом координат (рис.1). На каждой оси выбрано положительное направление, указанное стрелками, и единица измерения отрезков на осях. Единицы измерения обычно одинаковы для всех осей (что не является обязательным). В правосторонней системе координат положительное направление осей выбирают так, чтобы при направлении оси OX 2 вверх, ось OX 1 смотрела направо. OX 1 -- ось абсцисс, OX 2 -- ось ординат. Четыре угла (I, II, III, IV), образованные осями координат OX 1 и OX 2 , называются координатными углами или квадрантами .
Точка B A на координатную ось OX 1 ;
Точка C - ортогональная проекция точки A на координатную ось OX 2 ;
Построение Декартовой прямоугольной системы координат в пространстве
Декартова прямоугольная система координат в пространстве образуется тремя взаимно перпендикулярными осями координат OX , OY и OZ . Оси координат пересекаются в точке O , которая называется началом координат, на каждой оси выбрано положительное направление, указанное стрелками, и единица измерения отрезков на осях. Единицы измерения обычно одинаковы для всех осей (что не является обязательным). OX -- ось абсцисс, OY -- ось ординат,OZ -- ось аппликат.
Если большой палец правой руки принять за направление X , указательный - за направление Y а средний - за направление Z , то образуется правая система координат. Аналогичными пальцами левой руки образуется левая система координат. Иначе говоря, положительное направление осей выбирают так, чтобы при повороте оси OX против часовой стрелки на 90° её положительное направление совпало с положительным направлением оси OY , если этот поворот наблюдать со стороны положительного направления оси OZ . Правую и левую системы координат невозможно совместить так, чтобы совпали соответствующие оси (рис.2). Точка F - ортогональная проекция точки A на координатную плоскость OXY; Точка E - ортогональная проекция точки A на координатную плоскость OYZ; Точка G - ортогональная проекция точки A на координатную плоскость OX Z ;
Макетное представление Декартовой прямоугольной системы координат в пространстве показано на рисунках 3, 4 и 5.
Определение координат точки в Декартовой прямоугольной системе координат
Главным вопросом любой системы координат является вопрос определения координат точки, находящейся в ее плоскости или пространстве.
Определение координат точки на плоскости Декартовой системы координат
Положение точки A на плоскости определяется двумя координатами - x и y (рис.5). Координата x равна длине отрезка OB , координата y -- длине отрезка OC в выбранных единицах измерения. Отрезки OB и OC определяются линиями, проведёнными из точки A параллельно осям OY и OX соответственно. Координата x называется абсциссой (лат. abscissa - отрезок), координата y -- ординатой (лат. ordinates - расположенный в порядке) точки A . Записывают так:
Если точка A лежит в координатном углу I, то она имеет положительные абсциссу и ординату. Если точка A лежит в координатном углу II, то - отрицательную абсциссу и положительную ординату. Если точка A лежит в координатном углу III, то она имеет отрицательные абсциссу и ординату. Если точка A лежит в координатном углу IV, то - положительную абсциссу и отрицательную ординату.
Так определяются координаты в Декартовой системе координат на плоскости.
Упорядоченная система двух или трёх пересекающихся перпендикулярных друг другу осей с общим началом отсчёта (началом координат) и общей единицей длины называется прямоугольной декартовой системой координат .
Общая декартова система координат (аффинная система координат ) может включать и не обязательно перпендикулярные оси. В честь французского математика Рене Декарта (1596-1662) названа именно такая система координат, в которой на всех осях отсчитывается общая единица длины и оси являются прямыми.
Прямоугольная декартова система координат на плоскости имеет две оси, а прямоугольная декартова система координат в пространстве - три оси. Каждая точка на плоскости или в пространстве определяется упорядоченным набором координат - чисел в соответствии единице длины системы координат.
Заметим, что, как следует из определения, существует декартова система координат и на прямой, то есть в одном измерении. Введение декартовых координат на прямой представляет собой один из способов, с помощью которого любой точке прямой ставится в соответствие вполне определённое вещественное число, то есть координата.
Метод координат, возникший в работах Рене Декарта, ознаменовал собой революционную перестройку всей математики. Появилась возможность истолковывать алгебраические уравнения (или неравенства) в виде геометрических образов (графиков) и, наоборот, искать решение геометрических задач с помощью аналитических формул, систем уравнений. Так, неравенство z < 3 геометрически означает полупространство, лежащее ниже плоскости, параллельной координатной плоскости xOy и находящейся выше этой плоскости на 3 единицы.
С помощью декартовой системы координат принадлежность точки заданной кривой соответствует тому, что числа x и y удовлетворяют некоторому уравнению. Так, координаты точки окружности с центром в заданной точке (a ; b ) удовлетворяют уравнению (x - a )² + (y - b )² = R ² .
Прямоугольная декартова система координат на плоскости
Две перпендикулярные оси на плоскости с общим началом и одинаковой масштабной единицей образуют декартову прямоугольную систему координат на плоскости . Одна из этих осей называется осью Ox , или осью абсцисс , другую - осью Oy , или осью ординат . Эти оси называются также координатными осями. Обозначим через M x и M y соответственно проекции произвольной точки М на оси Ox и Oy . Как получить проекции? Проведём через точку М Ox . Эта прямая пересекает ось Ox в точке M x . Проведём через точку М прямую, перпендикулярную оси Oy . Эта прямая пересекает ось Oy в точке M y . Это показано на рисунке ниже.
x и y точки М будем называть соответственно величины направленных отрезков OM x и OM y . Величины этих направленных отрезков рассчитываются соответственно как x = x 0 - 0 и y = y 0 - 0 . Декартовы координаты x и y точки М абсциссой и ординатой . Тот факт, что точка М имеет координаты x и y , обозначается так: M (x , y ) .
Координатные оси разбивают плоскость на четыре квадранта , нумерация которых показана на рисунке ниже. На нём же указана расстановка знаков координат точек в зависимости от их расположения в том или ином квадранте.
Помимо декартовых прямоугольных координат на плоскости часто рассматривается также полярная система координат. О способе перехода от одной системы координат к другой - в уроке полярная система координат .
Прямоугольная декартова система координат в пространстве
Декартовы координаты в пространстве вводятся в полной аналогии с декартовыми координатами на плоскости.
Три взаимно перпендикулярные оси в пространстве (координатные оси) с общим началом O и одинаковой масштабной единицей образуют декартову прямоугольную систему координат в пространстве .
Одну из указанных осей называют осью Ox , или осью абсцисс , другую - осью Oy , или осью ординат , третью - осью Oz , или осью аппликат . Пусть M x , M y M z - проекции произвольной точки М пространства на оси Ox , Oy и Oz соответственно.
Проведём через точку М Ox Ox в точке M x . Проведём через точку М плоскость, перпендикулярную оси Oy . Эта плоскость пересекает ось Oy в точке M y . Проведём через точку М плоскость, перпендикулярную оси Oz . Эта плоскость пересекает ось Oz в точке M z .
Декартовыми прямоугольными координатами x , y и z точки М будем называть соответственно величины направленных отрезков OM x , OM y и OM z . Величины этих направленных отрезков рассчитываются соответственно как x = x 0 - 0 , y = y 0 - 0 и z = z 0 - 0 .
Декартовы координаты x , y и z точки М называются соответственно её абсциссой , ординатой и аппликатой .
Попарно взятые координатные оси располагаются в координатных плоскостях xOy , yOz и zOx .
Задачи о точках в декартовой системе координат
Пример 1.
A (2; -3) ;
B (3; -1) ;
C (-5; 1) .
Найти координаты проекций этих точек на ось абсцисс.
Решение. Как следует из теоретической части этого урока, проекция точки на ось абсцисс расположена на самой оси абсцисс, то есть оси Ox , а следовательно имеет абсциссу, равную абсциссе самой точки, и ординату (координату на оси Oy , которую ось абсцисс пересекает в точке 0), равную нулю. Итак получаем следующие координаты данных точек на ось абсцисс:
A x (2; 0) ;
B x (3; 0) ;
C x (-5; 0) .
Пример 2. В декартовой системе координат на плоскости даны точки
A (-3; 2) ;
B (-5; 1) ;
C (3; -2) .
Найти координаты проекций этих точек на ось ординат.
Решение. Как следует из теоретической части этого урока, проекция точки на ось ординат расположена на самой оси ординат, то есть оси Oy , а следовательно имеет ординату, равную ординате самой точки, и абсциссу (координату на оси Ox , которую ось ординат пересекает в точке 0), равную нулю. Итак получаем следующие координаты данных точек на ось ординат:
A y (0; 2) ;
B y (0; 1) ;
C y (0; -2) .
Пример 3. В декартовой системе координат на плоскости даны точки
A (2; 3) ;
B (-3; 2) ;
C (-1; -1) .
Ox .
Ox Ox Ox , будет иметь такую же абсциссу, что и данная точка, и ординату, равную по абсолютной величине ординате данной точки, и противоположную ей по знаку. Итак получаем следующие координаты точек, симметричных этим точкам относительно оси Ox :
A" (2; -3) ;
B" (-3; -2) ;
C" (-1; 1) .
Решить задачи на декартову систему координат самостоятельно, а затем посмотреть решения
Пример 4. Определить, в каких квадрантах (четвертях, рисунок с квадрантами - в конце параграфа "Прямоугольная декартова система координат на плоскости") может быть расположена точка M (x ; y ) , если
1) xy > 0 ;
2) xy < 0 ;
3) x − y = 0 ;
4) x + y = 0 ;
5) x + y > 0 ;
6) x + y < 0 ;
7) x − y > 0 ;
8) x − y < 0 .
Пример 5. В декартовой системе координат на плоскости даны точки
A (-2; 5) ;
B (3; -5) ;
C (a ; b ) .
Найти координаты точек, симметричных этим точкам относительно оси Oy .
Продолжаем решать задачи вместе
Пример 6. В декартовой системе координат на плоскости даны точки
A (-1; 2) ;
B (3; -1) ;
C (-2; -2) .
Найти координаты точек, симметричных этим точкам относительно оси Oy .
Решение. Поворачиваем на 180 градусов вокруг оси Oy направленный отрезок, идущий от оси Oy до данной точки. На рисунке, где обозначены квадранты плоскости, видим, что точка, симметричная данной относительно оси Oy , будет иметь такую же ординату, что и данная точка, и абсциссу, равную по абсолютной величине абсциссе данной точки, и противоположную ей по знаку. Итак получаем следующие координаты точек, симметричных этим точкам относительно оси Oy :
A" (1; 2) ;
B" (-3; -1) ;
C" (2; -2) .
Пример 7. В декартовой системе координат на плоскости даны точки
A (3; 3) ;
B (2; -4) ;
C (-2; 1) .
Найти координаты точек, симметричных этим точкам относительно начала координат.
Решение. Поворачиваем на 180 градусов вокруг начала координат направленный отрезок, идущий от начала координат к данной точке. На рисунке, где обозначены квадранты плоскости, видим, что точка, симметричная данной относительно начала координат, будет иметь абсциссу и ординату, равные по абсолютной величине абсциссе и ординате данной точки, но противоположные им по знаку. Итак получаем следующие координаты точек, симметричных этим точкам относительно начала координат:
A" (-3; -3) ;
B" (-2; 4) ;
C (2; -1) .
Пример 8.
A (4; 3; 5) ;
B (-3; 2; 1) ;
C (2; -3; 0) .
Найти координаты проекций этих точек:
1) на плоскость Oxy ;
2) на плоскость Oxz ;
3) на плоскость Oyz ;
4) на ось абсцисс;
5) на ось ординат;
6) на ось апликат.
1) Проекция точки на плоскость Oxy расположена на самой этой плоскости, а следовательно имеет абсциссу и ординату, равные абсциссе и ординате данной точки, и апликату, равную нулю. Итак получаем следующие координаты проекций данных точек на Oxy :
A xy (4; 3; 0) ;
B xy (-3; 2; 0) ;
C xy (2; -3; 0) .
2) Проекция точки на плоскость Oxz расположена на самой этой плоскости, а следовательно имеет абсциссу и апликату, равные абсциссе и апликате данной точки, и ординату, равную нулю. Итак получаем следующие координаты проекций данных точек на Oxz :
A xz (4; 0; 5) ;
B xz (-3; 0; 1) ;
C xz (2; 0; 0) .
3) Проекция точки на плоскость Oyz расположена на самой этой плоскости, а следовательно имеет ординату и апликату, равные ординате и апликате данной точки, и абсциссу, равную нулю. Итак получаем следующие координаты проекций данных точек на Oyz :
A yz (0; 3; 5) ;
B yz (0; 2; 1) ;
C yz (0; -3; 0) .
4) Как следует из теоретической части этого урока, проекция точки на ось абсцисс расположена на самой оси абсцисс, то есть оси Ox , а следовательно имеет абсциссу, равную абсциссе самой точки, а ордината и апликата проекции равны нулю (поскольку оси ординат и апликат пересекают ось абсцисс в точке 0). Получаем следующие координаты проекций данных точек на ось абсцисс:
A x (4; 0; 0) ;
B x (-3; 0; 0) ;
C x (2; 0; 0) .
5) Проекция точки на ось ординат расположена на самой оси ординат, то есть оси Oy , а следовательно имеет ординату, равную ординате самой точки, а абсцисса и апликата проекции равны нулю (поскольку оси абсцисс и апликат пересекают ось ординат в точке 0). Получаем следующие координаты проекций данных точек на ось ординат:
A y (0; 3; 0) ;
B y (0; 2; 0) ;
C y (0; -3; 0) .
6) Проекция точки на ось апликат расположена на самой оси апликат, то есть оси Oz , а следовательно имеет апликату, равную апликате самой точки, а абсцисса и ордината проекции равны нулю (поскольку оси абсцисс и ординат пересекают ось апликат в точке 0). Получаем следующие координаты проекций данных точек на ось апликат:
A z (0; 0; 5) ;
B z (0; 0; 1) ;
C z (0; 0; 0) .
Пример 9. В декартовой системе координат в пространстве даны точки
A (2; 3; 1) ;
B (5; -3; 2) ;
C (-3; 2; -1) .
Найти координаты точек, симметричных этим точкам относительно:
1) плоскости Oxy ;
2) плоскости Oxz ;
3) плоскости Oyz ;
4) оси абсцисс;
5) оси ординат;
6) оси апликат;
7) начала координат.
1) "Продвигаем" точку по другую сторону оси Oxy Oxy , будет иметь абсциссу и ординату, равные абсциссе и ординате данной точки, и апликату, равную по величине апликате данной точки, но противоположную ей по знаку. Итак, получаем следующие координаты точек, симметричных данным относительно плоскости Oxy :
A" (2; 3; -1) ;
B" (5; -3; -2) ;
C" (-3; 2; 1) .
2) "Продвигаем" точку по другую сторону оси Oxz на то же расстояние. По рисунку, отображающему координатное пространство, видим, что точка, симметричная данной относительно оси Oxz , будет иметь абсциссу и апликату, равные абсциссе и апликате данной точки, и ординату, равную по величине ординате данной точки, но противоположную ей по знаку. Итак, получаем следующие координаты точек, симметричных данным относительно плоскости Oxz :
A" (2; -3; 1) ;
B" (5; 3; 2) ;
C" (-3; -2; -1) .
3) "Продвигаем" точку по другую сторону оси Oyz на то же расстояние. По рисунку, отображающему координатное пространство, видим, что точка, симметричная данной относительно оси Oyz , будет иметь ординату и апликату, равные ординате и апликате данной точки, и абсциссу, равную по величине абсциссе данной точки, но противоположную ей по знаку. Итак, получаем следующие координаты точек, симметричных данным относительно плоскости Oyz :
A" (-2; 3; 1) ;
B" (-5; -3; 2) ;
C" (3; 2; -1) .
По аналогии с симметричными точками на плоскости и точками пространства, симметричными данным относительно плоскостей, замечаем, что в случае симметрии относительно некоторой оси декартовой системы координат в пространстве, координата на оси, относительно которой задана симметрия, сохранит свой знак, а координаты на двух других осях будут теми же по абсолютной величине, что и координаты данной точки, но противоположными по знаку.
4) Свой знак сохранит абсцисса, а ордината и апликата поменяют знаки. Итак, получаем следующие координаты точек, симметричных данным относительно оси абсцисс:
A" (2; -3; -1) ;
B" (5; 3; -2) ;
C" (-3; -2; 1) .
5) Свой знак сохранит ордината, а абсцисса и апликата поменяют знаки. Итак, получаем следующие координаты точек, симметричных данным относительно оси ординат:
A" (-2; 3; -1) ;
B" (-5; -3; -2) ;
C" (3; 2; 1) .
6) Свой знак сохранит апликата, а абсцисса и ордината поменяют знаки. Итак, получаем следующие координаты точек, симметричных данным относительно оси апликат:
A" (-2; -3; 1) ;
B" (-5; 3; 2) ;
C" (3; -2; -1) .
7) По аналогии с симметрии в случае с точками на плоскости, в случае симметрии относительно начала координат все координаты точки, симметричной данной, будут равными по абсолютной величине координатам данной точки, но противоположными им по знаку. Итак, получаем следующие координаты точек, симметричных данным относительно начала координат.
