Методическая разработка по физике "От рисунков по координатам к спутниковой навигаци"

Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение

«Средняя общеобразовательная школа №4»

Еманжелинского муниципального района Челябинской области

Индивидуальный проект

«От рисунков по координатам к спутниковой навигации»

Тип проекта: творческий

2023г.

Содержание

Введение..........................................................................................................................3

1. Теоретическая часть.................................................................................................4

1.1. История возникновения координат........................................................................4

1.2. Координаты вокруг нас............................................................................................5

1.3. Системы спутниковой навигации……………...…………………..……………..6

2. Практическая часть..................................................................................................9

2.1. Создание проектного продукта...............................................................................9

Заключение...................................................................................................................15

Список литературы………………………………...……………………..…………16

Введение

С координатами в жизни мы сталкиваемся постоянно, можно сказать «на каждом шагу». Идея задавать положение точки на плоскости с помощью чисел зародилась в древности — прежде всего у астрономов и географов при составлении звездных и географических карт, календаря. С течением времени, спустя столетия прогресс дошёл до таких высот, что в 1995 году была создана русская навигационная система ГЛОНАСС, которой теперь с небольшими изменениями и улучшениями весь мир пользуется по сей день. Эта эволюция от рисунков по координатам к спутниковой навигации явно заслуживает внимания общества, поэтому в своём проекте я хотел бы рассказать именно об этом.

Цель: создание хронологической ленты времени «От рисунков по координатам к спутниковой навигации»

Задачи:

1. Изучить историю возникновения системы координат

2. Изучить историю возникновения спутниковой навигации

3. Изучить возможности программы PowerPoint 2013

1. Теоретическая часть

1.1. История возникновения координат

 История возникновения координат и системы координат начинается очень давно, первоначально идея метода координат возникла ещё в древнем мире в связи с потребностями астрономии, географии, живописи. Древнегреческого ученого Анаксимандра Милетского (610г. - 546г. до н. э.) считают составителем первой географической карты. Он четко описывал широту и долготу места, используя прямоугольные проекции.

Более чем за 100 лет до н.э. греческий ученый Гиппарх предложил опоясать на карте земной шар параллелями и меридианами и ввести теперь хорошо известные географические координаты: широту и долготу и обозначить их числами.

Первоначальное применение координат конечно связано с астрономией и географией, с потребностью определять положение светил на небе и определённых пунктов на поверхности Земли, при составлении календаря, звездных и географических карт.

Следы применения идеи прямоугольных координат в виде квадратной сетки (палетки) изображены на стене одной из погребальных камер Древнего Египта.

Вскоре придумали компас. И его изобретателем стали китайцы. Первые их компасы представляли собой особый сосуд, наполненный маслом или водой, внутри которого был магнит в виде тонкой иглы на стебле камыша. Она-то и указывала направление на север. Первый компас был изобретен более 2000 лет назад, во времена династии Хань (202 г. до н. э. – 220 г. н. э.).

Потом появилась астролябия. Этот прибор с красивым и непонятным названием применяли в античности не столько для определения направления, сколько для определения широты и долготы благодаря измерению горизонтальных углов. Кроме красивого названия, прибор этот выглядел очень необычно и даже роскошно – бронзовый круг, вращающийся барабан, кованые стрелки, фигурные засечки и знаки зодиака по окружности. Кроме определения углов астролябия умела еще много чего – исчислять время, определять астрономические расстояния и даже находить тригонометрические функции. Не случайно в эпоху Инквизиции церковь считала ученых, владевших искусством расчетов при помощи астролябии учениками дьявола и нещадно сжигала их на костре.

Основная заслуга в создании современного метода координат принадлежит французскому математику Рене Декарту. Научное описание прямоугольной системы координат Рене Декарт впервые сделал в своей работе «Рассуждение о методе» в 1637 году. Поэтому прямоугольную систему координат называют также - Декартова система координат. Кроме того, в своей работе «Геометрия» (1637), открывшей взаимопроникновение алгебры и геометрии, Декарт ввел впервые понятия переменной величины и функции. «Геометрия» оказала огромное влияние на развитие математики. В декартовой системе координат получили реальное истолкование отрицательные числа.

Вклад в развитие координатного метода внес также Пьер Ферма, однако его работы были впервые опубликованы уже после его смерти. Декарт и Ферма применяли координатный метод только на плоскости.

Одним из прикладных «сынов» астролябии стал секстант – главный навигационный прибор средневековых мореплавателей. С его помощью, ориентируясь на высоту солнца и других небесных тел можно было определить координаты – широту и долготу. Похож был этот секстант на причудливый и навороченный ученический транспортир, только с подвижными частями. Для определения координат верхнюю планку прибора наводили на Солнце, нижнюю на горизонт и по образовавшемуся углу, используя специальные астрономические таблицы, определяли координаты нахождения.

Координатный метод для трехмерного пространства впервые применил Леонард Эйлер уже в 18 веке.

1.2. Координаты вокруг нас

Координаты окружают нас повсюду.

Чтобы правильно занять свое место в кинотеатре нужно знать две координаты - ряд и место.

Система географических координат (широта - параллели и долгота -меридианы).

Те, кто в детстве играл в морской бой, тоже помнят, что каждая клетка на игровом поле определялась двумя координатами - буквой и цифрой.

С помощью координатной сетки летчики, моряки определяют местоположение объектов.

В биологии - построение схем молекул ДНК, построение диаграмм и графиков, прослеживающих эволюцию развития.

В экономике - разнообразные системы координат применяются для построения графика спроса и предложения, при графическом изображении разных зависимых величин.

В химии – построение таблицы Менделеева (изменение показателей происходит в горизонтальной и вертикальной плоскости) - взаимное расположение молекул.

 При астрономических наблюдениях координатная сетка накладывается на небесный свод с Землёй в центре.

1.3. Системы спутниковой навигации

Во второй половине 20 века люди задумались о средстве для помощи водителю на дороге.

В 1966 году свет увидел амбициозный проект американской компании «General Motors», система DAIR (с англ. «помощь, информация и навигация для водителей»). В ее основу были положены специальные магниты, которые закладывались под дорожное полотно через каждые 5–8 километров. Приемный узел этой системы располагался в автомобилях и, по сути, это был прототип компьютера, работавшего на перфокартах. Проезжая над магнитами, устройство выдавало на экран различную информацию – приближение к поворотам, наличие ограничений на дороге, возможные опасности. В качестве средств вывода использовалась световая индикация и зуммеры разной тональности.

Принцип взаимодействия этой системы – позиционирование при помощи маяков - лег в основу современных навигаторов.

Потом появилась хорошо известная нам система GPS.

GPS (Global Positioning System — система глобального позиционирования) — спутниковая система навигации, обеспечивающая измерение расстояния, времени и определяющая местоположение.

 Идея создания спутниковой навигационной системы зародилась еще в 50-е годы прошлого столетия. Американская группа ученых, наблюдавшая за запуском советских спутников, заметила, что при приближении спутника частота сигнала увеличивается и уменьшается при его отдалении. Это позволило понять, что возможно измерить положение и скорость спутника, зная свои координаты на Земле и наоборот. Огромную роль в развитии навигационной системы сыграл запуск спутников на низкую околоземную орбиту, а в 1973 году была создана программа «DNSS» («NavStar»). По этой программе спутники запускались на среднюю околоземную орбиту. Название GPS программа получила в том же 1973 году. Система GPS на данный момент используется не только в военной области, но и в гражданских целях.

Работает система GPS следующим образом. Приёмник сигнала измеряет задержку распространения сигнала от спутника до приёмника. Из полученного сигнала приёмник получает данные о местонахождении спутника. Для определения расстояния от спутника до приёмника задержка сигнала умножается на скорость света.

Последней на данный момент из глобальных открытий в этой области стала спутниковая навигационная система ГЛОНАСС.

ГЛОНАСС принадлежит министерству обороны РФ. Разработка системы официально началась в 1976 г, полное развёртывание системы завершилось в 1995 г.

Для определения координат приёмник должен принимать сигнал как минимум четырёх спутников и вычислить расстояния до них.

Сегодня трудно найти сферу социально-экономического развития, в которой не могли бы использоваться услуги спутниковой навигации ГЛОНАСС.

Оборудование, принимающее сигналы навигационных спутников, устанавливается на автомобилях скорой медицинской помощи, а также транспортных средствах служб МЧС. Спутниковые данные позволяют более оперативно прибывать бригадам медиков и спасателей к местам чрезвычайных происшествий для оказания помощи пострадавшим. При помощи ГЛОНАСС отслеживается местоположение и передвижение групп пожарных, места катастроф, аварий.

Перспективным направлением применения ГЛОНАСС-технологий являются социальные системы, предусматривающие помощь людям с ограниченными возможностями здоровья или малолетним детям. Используя навигационное оборудование с голосовым интерфейсом, незрячий человек может определить свой путь в магазин, поликлинику. Обладатели подобных устройств могут в случае возникновения опасности или резкого ухудшения самочувствия вызвать экстренную помощь, нажав тревожную кнопку. Индивидуальный спутниковый трекер может помочь родителям в режиме онлайн отслеживать местонахождение своего ребёнка с целью контроля его безопасности.            

В авиации навигационные приемники обеспечивают маршрутную навигацию и заход на посадку в сложных погодных условиях. Огромное значение спутниковая навигация имеет для обеспечения посадки самолётов малой авиации на необорудованные аэродромы. Успешно проведены опыты по беспилотному взлету и посадке в арктических широтах. Системы навигации на основе ГЛОНАСС повышают безопасность вертолётовождения, повышают точность навигации беспилотных летательных аппаратов.

Применяются в судоходстве при проводке судов и маневрирование в сложных условиях (шлюзы, порты, каналы, проливы, ледовая обстановка), навигации на внутренних водных путях, мониторинге и учёте флота, спасательных операциях. В условиях штормов и плотных туманов без спутниковой навигации сложно обеспечить безопасность движения судов.

Услуги спутниковой навигации помогают в определении местоположения географических объектов с сантиметровой точностью при прокладке нефте - и газопроводов, линий электропередач. Уточнять параметры местности при возведении зданий и сооружений, дорожном строительстве. Позволяет оперативно передавать информацию о состоянии сложных инженерных сооружений, потенциально опасных объектов, таких как плотины, мосты, туннели, промышленные предприятия, атомные электростанции.

Крупнейшие банки используют ГЛОНАСС для того, чтобы синхронизировать компьютерные сети своих подразделений по всей России.

Особое значение система ГЛОНАСС имеет для повышения эффективности применения высокоточного оружия, беспилотной авиации, оперативного управления войсками.

2. Практическая часть

2.1. Создание проектного продукта

На выполнение проектного продукта я выделил себе две недели. Каждый день я искал немного информации по теме и отбирал самую интересную. В итоге я выбрал десять временных промежутков и рассказал в продукте о том, что, связанное с развитием от рисунков по координатам к спутниковой навигации, было сделано в этот промежуток времени.

На втором слайде я рассказал о истории возникновения координат.

На третьем слайде я рассказал о том, как появились параллели и меридианы.

На четвёртом слайде я рассказал о первых компасах, изобретённых в Китае во времена династии Хань.

На пятом слайде я рассказал о «компьютере» древности – астролябии.

На шестом слайде я рассказал про метод координат, придуманный Рене Декартом, которым мы пользуемся до сих пор.

На седьмом слайде я рассказал о «сыне» астролябии – секстанте.

На восьмом слайде я рассказал о том, что Леонард Эйлер впервые применил координатный метод для трёхмерного пространства.

На девятом слайде я рассказал об «отце» современных навигаторов.

На десятом слайде я рассказал о навигационной системе GPS.

На заключительном одиннадцатом слайде я рассказал о российской спутниковой системе ГЛОНАСС.

Заключение

Целью моего проекта было изготовление хронологической ленты времени «От рисунков по координатам к спутниковой навигации». Закончив проект, я могу сказать, что всё задуманное получилось. Поставленная цель достигнута, задачи выполнены.

Список литературы

https://ped.bobrodobro.ru/17533

https://infourok.ru/

https://glonass-iac.ru/guide/gnss/gps.php

https://dzen.ru/a/Yg8Jk-M6fFBKfqRc