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如何粗略描述物體運(yùn)動(dòng)快慢

2023-01-06 11:39 作者:高中物理-呂老師  | 我要投稿

我們先看,人教版高中物理必修一第一章 第3節(jié)“位置變化快慢的描述——速度”中,給出了平均速度的定義:

即用位移與時(shí)間之比定義速度。并說,“平均速度描述物體在一段時(shí)間內(nèi)運(yùn)動(dòng)的平均快慢程度及方向?!奔雌骄俣戎荒艽致悦枋鲞\(yùn)動(dòng)的快慢。

平均速度真能粗略描述物體運(yùn)動(dòng)的快慢嗎?

有時(shí)能,有時(shí)不能!

對(duì)于單一方向的直線運(yùn)動(dòng),平均速度能粗略地描述一段時(shí)間內(nèi)物體運(yùn)動(dòng)的快慢。

對(duì)于有往返的直線運(yùn)動(dòng)或曲線運(yùn)動(dòng),能用平均速度的大小粗略描述一段時(shí)間內(nèi)物體運(yùn)動(dòng)的快慢嗎?

看下面例子:

“某人騎自行車沿一斜坡從坡底到坡頂,再從坡頂?shù)狡碌淄狄淮危阎掀碌钠骄俣却笮?m/s,下坡時(shí)的平均速度大小為6m/s,則此人往返一次的平均速度大小是多少?”

按照平均速度的定義,因?yàn)橥狄淮挝灰茷榱悖云骄俣纫彩橇恪?/span>

然而,這個(gè)“零”是什么意義呢?

如果說是粗略描述往返這段時(shí)間騎車人運(yùn)動(dòng)的快慢,這合理嗎?

不合理。也不可接受!

它僅僅是套用定義做了一個(gè)“游戲”而已。

這種套定義的游戲樂意做就盡管做好了,這里咱不去糾纏,它不是本文的重點(diǎn)。

我們?cè)倏矗私贪娓咧形锢肀匦薅诹?第1節(jié)“圓周運(yùn)動(dòng)”中,給出了線速度定義:

即用弧長(zhǎng)與時(shí)間之比定義線速度。事實(shí)上,線速度也有平均值與瞬時(shí)值之分。高中階段,只涉及

非常非常小時(shí),

的瞬時(shí)線速度大小(通常稱為線速度)。

那線速度的方向呢?

書中寫到:“線速度的方向?yàn)槲矬w做圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)該點(diǎn)的切線方向”——這是生生強(qiáng)加上的啊!

這種修補(bǔ)式的概念,讓物理學(xué)多少顯得有些不堪。

這些咱也不去管它。

回過頭來單說平均線速度,平均線速度就能粗略的描述物體在圓周上運(yùn)動(dòng)的快慢。而平均線速度卻不是一般意義上平均速度的大小,而是平均速率的概念。即用平均速率粗略的描述一段時(shí)間內(nèi)圓周運(yùn)動(dòng)的快慢。

這么看來,對(duì)于有往返的直線運(yùn)動(dòng)或曲線運(yùn)動(dòng),平均速度就不能粗略描述運(yùn)動(dòng)快慢了嗎?

也不全是。

如果我們事先根本不知道物體的運(yùn)動(dòng)路線軌跡,只有確定的始末位置(即有確定的位移),我們可以(也只能)用平均速度的大小粗略描述這段位移內(nèi)物體運(yùn)動(dòng)的快慢,甚至也可以用平均速度方向粗略描述該段位移內(nèi)物體運(yùn)動(dòng)的方向。

請(qǐng)看下面例子:

如圖1,B地發(fā)生火情,在A處的消防隊(duì)同時(shí)出動(dòng)了甲、乙兩輛消防車前去B地救火。如果,從A處到B地沒有固定的道路可走(或者說有多個(gè)路徑可以選擇),兩輛車的司機(jī)由于某種原因,各自為戰(zhàn),選擇了不同的路線到達(dá)B地(如圖1虛曲線所示)。甲車走了較遠(yuǎn)的路程后與乙車同時(shí)到達(dá)B地。誰快呢?從位置變化的快慢來看,甲、乙兩車平均說來一樣快,因?yàn)榇藭r(shí)的目的地就是B地,盡管甲車實(shí)際上多跑了路程,就位置變化來說(這恰能反映救火的及時(shí)性),你并不快,即此時(shí)可以用平均速度的大小來粗略描述運(yùn)動(dòng)的快慢。平均速度的方向由A到B,粗略的講,這也是車輛運(yùn)動(dòng)的方向,即車由A處運(yùn)動(dòng)到了B地。

由于這種情況下運(yùn)動(dòng)路徑軌跡的不確定性,只有確定的始末位置,我們只能描述由A到B整個(gè)過程運(yùn)動(dòng)的快慢及方向,而無法(也沒必要)描述中途某時(shí)間段運(yùn)動(dòng)的快慢情況。

但是,如果從A到B只有一條道路可走,運(yùn)動(dòng)路線軌跡是確定的(如圖2虛曲線所示),

路線上的每一點(diǎn)都是運(yùn)動(dòng)必經(jīng)之處。甲、乙兩車同時(shí)沿該路線出發(fā),當(dāng)甲車到達(dá)B地時(shí),乙車剛到途中的一點(diǎn)C,顯然,乙車的位移大,平均速度大,但能說乙車運(yùn)動(dòng)的快嗎?不能!否則,與理不合,人家已經(jīng)到了,你還在途中呀!此時(shí),要用平均速率

(路程與時(shí)間之比)來粗略描述一段時(shí)間物體運(yùn)動(dòng)快慢。顯然甲車的平均速率大,我們說甲車運(yùn)動(dòng)得快。

同樣也是因?yàn)檫\(yùn)動(dòng)路線軌跡是確定的,物體經(jīng)過的位置也是確定的、已知的,所以我們不能籠統(tǒng)的說:“平均速度的方向就是物體運(yùn)動(dòng)的方向”,只能說:“瞬時(shí)速度的方向是物體運(yùn)動(dòng)的方向”。

綜上,精確描述某時(shí)刻物體運(yùn)動(dòng)的快慢及方向,用瞬時(shí)速度;粗略描述某段時(shí)間內(nèi)物體運(yùn)動(dòng)的快慢,有時(shí)用平均速率,有時(shí)用平均速度。這關(guān)鍵要看物體有沒有確定的、已知的運(yùn)動(dòng)路線。



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