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高中物理 勻變速直線運動的研究——勻變速直線運動中點位移的速度

2023-04-27 12:39 作者:南宮很二  | 我要投稿

前面講了勻變速直線運動中間時刻的瞬時速度,即v_%7B%5Cfrac%7Bt%7D%7B2%7D%7D%3D%5Cbar%7Bv%7D%3D%5Cfrac%7Bv_%7B0%7D%2B%20v_%7Bt%7D%20%7D%7B2%7D%20%20%20。

今天來講一下勻變速直線運動中點位移的瞬時速度,即v_%7B%5Cfrac%7Bx%7D%7B2%7D%20%7D%20

一個物體從A 點做勻變速直線運動到B點,M為這段位移的中點,試著用AB兩點的速度表示M點的速度。

由于從A到M和從M到B的位移x 和加速度a 都是相同的, 所以利用公式v_%7Bt%7D%5E2-%20v_%7B0%7D%5E2%3D2ax%20計算。

v_%7BM%7D%5E2-%20v_%7BA%7D%5E2%3D2ax%20,v_%7BB%7D%5E2-%20v_%7BM%7D%5E2%3D2ax%20

聯(lián)立兩式得

v_%7BM%7D%5E2-%20v_%7BA%7D%5E2%3D%20v_%7BB%7D%5E2-%20v_%7BM%7D%5E2%20

2v_M%5E2%3Dv_A%5E2%2Bv_B%5E2

v_%7BM%7D%3D%20%5Csqrt%7B%5Cfrac%7Bv_%7BA%7D%5E2%2B%20v_%7BB%7D%5E2%20%7D%7B2%7D%20%7D%20

如果A點速度為初速度v_0,B點速度為末速度v_t,M點速度為中點速度v_%7B%5Cfrac%7Bx%7D%7B2%7D%20%7D%20,那么有v_%7B%5Cfrac%7Bx%7D%7B2%7D%20%7D%3D%5Csqrt%7B%5Cfrac%7Bv_%7B0%7D%5E2%2Bv_%7Bt%7D%5E2%7D%7B2%7D%20%7D%20%20,這就是勻變速直線運動中點位移瞬時速度的計算公式,也是勻變速直線運動七大推論之一。

再來看一個問題,中間時刻瞬時速度v_%7B%5Cfrac%7Bt%7D%7B2%7D%7D%3D%5Cfrac%7Bv_%7B0%7D%2B%20v_%7Bt%7D%20%7D%7B2%7D%20%20和中點位移瞬時速度v_%7B%5Cfrac%7Bx%7D%7B2%7D%20%7D%3D%5Csqrt%7B%5Cfrac%7Bv_%7B0%7D%5E2%2B%20v_%7Bt%7D%20%5E2%7D%7B2%7D%20%7D%20%20的大小關(guān)系是怎樣的?

最簡單的方法是用特殊值法或者平方后作差的方法來進行比較,但這是數(shù)學的方法,來看一下物理的方法,利用v-t圖像來比較。

如圖,物體做勻加速直線運動的圖像是一條傾斜的直線,中間時刻瞬時速度很好找到,它將位移分為兩個面積不相等的部分,因為物體在加速,所以后一部分的面積大,為了找到中點位移瞬時速度,就要將梯形的中位線向右側(cè)移動,使得左右兩邊的面積一樣大,這樣就能發(fā)現(xiàn)中點位移瞬時速度大于中間時刻瞬時速度。

如果換成勻減速直線運動,中間時刻瞬時速度左右兩側(cè)的面積依然不一樣大,為了找到中點位移瞬時速度,就要將梯形中位線向左側(cè)移動,可以發(fā)現(xiàn)中點位移瞬時速度還是大于中間時刻瞬時速度。

這樣我們得出結(jié)論,在勻變速直線運動中,中點位移瞬時速度始終大于中間時刻瞬時速度。

實際在數(shù)學課中學習過幾個平均值,分別是平方平均值(均方根)%5Csqrt%7B%5Cfrac%7Ba%5E2%2Bb%5E2%7D%7B2%7D%20%7D%20,算術(shù)平均值%5Cfrac%7Ba%2Bb%7D%7B2%7D%20,幾何平均值%5Csqrt%7Bab%7D%20,調(diào)和平均值%5Cfrac%7B2%7D%7B%5Cfrac%7B1%7D%7Ba%7D%2B%20%5Cfrac%7B1%7D%7Bb%7D%20%7D%20。在a>0,b>0時,有%5Csqrt%7B%5Cfrac%7Ba%5E2%2Bb%5E2%7D%7B2%7D%20%7D%EF%BC%9E%5Cfrac%7Ba%2Bb%7D%7B2%7D%EF%BC%9E%5Csqrt%7Bab%7D%EF%BC%9E%5Cfrac%7B2%7D%7B%5Cfrac%7B1%7D%7Ba%7D%2B%20%5Cfrac%7B1%7D%7Bb%7D%20%7D%20%20%20%20,當且僅當a=b 時,四個平均值相等。

通過觀察能夠發(fā)現(xiàn)中間時刻瞬時速度剛好是初末速度的算術(shù)平均值,而中點位移瞬時速度是初末速度的平方平均值,根據(jù)平方平均值大于算數(shù)平均值的結(jié)論,在勻變速直線運動中有v_%7B%5Cfrac%7Bx%7D%7B2%7D%20%7D%EF%BC%9E%20v_%7B%5Cfrac%7Bt%7D%7B2%7D%20%7D%20。

總結(jié)

勻變速直線運動中,中點位移瞬時速度始終大于中間時刻瞬時速度。

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