在以往多年里人类心智所面对和克服的所有智力困难中，我觉得最令人惊奇、影响范围最大的就是运动问题。
——赫伯特·巴特菲尔德，历史学家
实在世界有三个最基本的概念：物质、运动和相互作用。物理学研究物质运动最一般的规律，这是物体与物体的相互作用以及在相互作用下运动的规律。
物理学的其中一个目标是研究物体运动的形态。任何物体的运动不可能是孤立的，一个物体是否在运动是相对于另一个物体而言的。因此，描写物体的运动必须有另外一个适当的物体作为参考对象，选取的参考对象不同，对物体运动状态的描写就不一样。一个熟悉的例子是：在一辆往前行驶的汽车上的乘客。相对于汽车上的座位来说，乘客是静止不动的，而相对于地面上的树木而言，乘客则是运动的。为了研究一个物体的运动而选定的参考对象叫做参照系，又称为参考系。参照系并不是某个特定的物体，而是所有相互之间相对静止的物体的总和，随着今后对物理学的不断的更深入的理解，我们就会认识到，这其实就是与该物体相关联的整个空间与时间。在实际应用中，我们往往会选取某一个物体作为参照系的代表，为了陈述上的简洁，通常就会说选择该物体做参照系，但是，这并不表示这个被选取的物体“就是”参照系。
在研究地面上各种运动时，通常会用地球的表面做参照系，称为地面参照系。作为地面参照系的补充，许多时候会选择相对于地面做匀速直线运动的物体做参照系；如果是在近地范围内进行研究，就会选择地球的中心做参照系，称为地心参照系；研究行星绕太阳的运动则会选择太阳的中心作为参照系，称为日心参照系；对于在更大的范围内的运动，包括我们的太阳系的整体运动，就要选择银河系的中心作为参照系，称为银心参照系。
要研究一个物体的运动，需要将反映该运动的各种物理量定量地表示出来，这就需要在参照系的基础上建立适当的坐标系。坐标系由具有确定度量单位的数轴构成。在一个参照系中建立了适当的坐标系后，就可以用物体在这个坐标系中的坐标来表示该物体在空间中的位置。坐标系的选择不一样，表示物体位置的物理量就不一样，物体运动的数学表述形式与坐标系的选择密切相关。
最简单的坐标系是一根数轴，它是一条带有度量单位的有向直线，通常会为这根数轴起一个名称，比如说
轴。以直线的某一点做计量的起点，称之为原点，用字母
表示。从原点起朝向直线正方向的各点的坐标值为正数，逆着直线正方向的各点的坐标值为负数。当物体沿笔直的轨道运动时，或者要研究物体的运动沿某个方向的投影时，通常就使用这种坐标系，物体的位置用它在轨迹上所处的点的坐标值表示。
数轴最简单的拓展是由相互垂直并相交于一点的两根数轴构成的坐标系，称之为平面直角坐标系，两根数轴会被赋予不同的名称，比如说
轴和
轴，它们的交点是这种坐标系的原点。当物体沿着一个平面运动时，通常会在运动所在的平面上建立这种坐标系，物体的位置用该物体在平面上所处的点在两根坐标轴上的投影表示。当然，对于某些特殊的平面运动，建立平面极坐标系也许会更方便。可以在平面直角坐标系的基础上建立平面极坐标系。以平面直角坐标系的
轴做基准方向，物体的位置用它与原点的距离
和对
轴的偏角
表示。
如果物体在空间中沿任意形状的路径运动，一般情况下就会选择三维直角坐标系，它由相互垂直并相交于一点的三根不同名数轴构成，简称为直角坐标系，也常被称为笛卡尔坐标系。在这种坐标系中，物体的位置用该物体所处的空间点在三根坐标轴上的投影表示。对于某些特殊的运动，还有可能选择球坐标系或柱坐标系，这两种坐标系都是在笛卡尔坐标系的基础上建立的。在球坐标系中，物体的位置用它与原点的距离
、对
轴的偏角
(天顶角)和在
平面上的投影对
轴的偏角
(方位角)表示。柱坐标系则可以想像成由无数个平面极坐标系沿着
方向堆叠构成。关于这些坐标系，会在今后适当的时候做详细的讨论，在目前的情况下，对这些坐标系大致了解就够了。
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