高中物理/运动的描述

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篮球场上被传来传去的球,车道上飞驰的车辆,操场上跳绳的学生,这一切的一切,都处在运动之中。而预测物体的运动,也是物理学最基本目标之一。 为了实现这一点,我们首先需要能够准确描述物体的运动,这正是本节所要介绍的内容——尽管你可能认为你对物体的运动已经再熟悉不过了,不过如果读下去,你就会发现其实对于一些概念你还不是很清楚^_^。

问题的简化:质点

日常生活中的物体,都是有形状、大小的。然而,准确的分析物体上每一点的运动是有困难的。因此,如果研究的物体的大小、形状对所研究的问题无关紧要的话,我们就可以忽略物体的大小、形状,而将物体仅仅看作一个有质量的点,称为“质点”。质点是运动学中重要的理想化模型

定义: 不考虑物体的大小和形状,把它简化为一个有质量的点,称为“质点”

一般来说,“点”给人的印象是它非常小。然而一个物体你能否被简化为质点与其大小无关,而仅仅与研究问题的性质有关。如果研究的问题只与(或主要取决于)物体的质量和位置,而不涉及(或可忽略)其大小、结构、转动,则不论其大小,均可看成质点,如研究地球绕太阳的运行轨迹,而非其自转时,即可将其看作质点;反之若是研究乒乓球的自旋,或者火车通过不很长的铁轨所用的时间,则不能将其看作质点。

物体的运动与静止:参考系

我们可能会认为,自己能够很正确、轻松的判断出物体是否在运动,并且在同一时刻,一个物体是否运动是惟一确定的。果真如此吗?如果你站在地上,看到一辆汽车飞驰而过,你一定认为道路是“静止”的,而汽车是“运动”的;不过我想问问你,如果你坐在车里时,你是否看见路旁的树、商店、道路飞快的向后奔去?如此一来,车岂不是成了“静止”的,而道路是“运动”的?当然你可以辩解说,这仅仅是你的错觉。好!让我们再把眼光放远一点,假定你定居在太阳之上(当然那不可能,你瞬间就会被汽化),看着地球上的道路(假定你是千里眼),这回?呵呵,它们又运动了吧?还是错觉?你不是常说,地球绕着太阳转吗?

有点乱了?从以上的例子里,我们可以得出一个结论:物体的运动和静止是相对的。我们再来分析一下,当你说”车子在动“时,其实有一个隐含的假设:地没在动。当你说,地球绕着太阳转是,也隐含一个假设:太阳没在动。因此,我们还可以得出一个结论:物体动没动,取决于你所规定的”静止“的物体,而这个物体,就叫做”参考系“。

定义: 要描述一个物体的运动,首先要选取某个”其他物体“作参考,观察物体相对于这个”其他物体“的位置是否随时间变化,以及怎样变化。这种用来做参考的物体称为”参考系“

从理论上来说,参考系的选择是任意的,而如何选择参考系会影响物体的运动状态。。但是,实际在研究地球上的物体的运动的时候,往往以地面为参考系,因为这通常最方便。不过,在解决某些问题时,我们也可以变换参考系,使解决问题更加容易

位置和运动的定量描述:坐标系、位置与位移

我们现在终于明白了如何判断物体是否在运动,可是,这只是定性的描述,如果我们想知道物体具体运动了多远,速度有多快,那又改怎么办呢? 考虑数学中建立坐标系以描述点的位置的方法,我们想到物理学里也可以这样做。 坐标系可以是一维(直线)、二维(平面)或三维(立体)的。一旦坐标系也建立好了,物体的位置就真正唯一确定了。当然了,坐标系的选择也会影响物体的运动状态。

在本章里,我们主要讨论直线运动,因此建立的坐标系也都是一维的,这可以减少接触”矢量“这一概念造成的麻烦。

物体在坐标系里的坐标就是它的位置,一般用符号x表示,在一维坐标系里,位置可以用一个实数表示,也可以用从原点(参考系)到物体的有向线段表示。比方说,以某物体为参考系,西侧为正方向,沿东西方向建立平面直角坐标系。则在坐标系东侧3m处的物体位置为-3m,西侧5m处的物体位置为(+)5m。

物理量

名称:位置。

类型:矢量。

符号:𝒙

国际单位:m(米)。

其他常见单位:km(千米)、cm(厘米)、dm(分米)、mm(毫米)。

换算关系:1m=103km=10dm=102cm=103mm

没错,位置就是传说中的”矢量“:既有大小又有方向的方向的物理量,相对于”标量“,即只有大小没有方向的物理量,不过你可能觉得费解,位置有什么”大小“、”方向“呢?

我也说不太清,那么我们先来说说”位移“吧。“位移”,顾名思义,位置的移动,物理学中的位移也就是这么定义的。

物理量

名称:位移。

类型:矢量。

符号:Δ𝒙

定义:把物体位置的变化叫做“位移”。

定义式:Δ𝒙=𝒙2𝒙1

决定式:Δ𝒙=𝒙2𝒙1

国际单位:m(米)。

其他常见单位:km(千米)、cm(厘米)、dm(分米)、mm(毫米)。

换算关系:1m=103km=10dm=102cm=103mm

解释一下吧,接着拿刚才的那个一维坐标系说事。比方说,现在,小红和小明都在3m处,同在t时间之后,小明同学,在6m处,而可爱的小红,则在-5m处,敢问,此二人的位移各是多少? 好,我们严格套一下公式。 首先强调一下,不要被什么𝒙1𝒙2弄晕了。求位移一定要用末位置减去初位置。

解:(很遗憾,打不出中文。)

Δ𝒙𝒎𝒊𝒏𝒈=𝒙𝒎𝒊𝒏𝒈2𝒙𝒎𝒊𝒏𝒈1=6m3m=3m

Δ𝒙𝒉𝒐𝒏𝒈=𝒙𝒉𝒐𝒏𝒈2𝒙𝒉𝒐𝒏𝒈1=5m3m=8m

不错,不过现在我想问你一个问题,谁的位移更大?

从常识角度来说,显然是小红,他走得比小明多呀!可是数学上看Δ𝒙𝒉𝒐𝒏𝒈<0<Δ𝒙𝒎𝒊𝒏𝒈怎么回事呢?

答案也很简单:这里(一维坐标系里),负号仅仅表示位移的方向,它的大小应该由所对应的实数的绝对值确定

现在,你应该能理解所谓“矢量是既有大小又有方向的物理量”了。

从数学上说,矢量本身不能比较大小,只能比较是否相等。因此,物理题目中在比较矢量是否相等时,比较的是它们的大小和方向是否同时相等。也就是说,你往东走了五米,我往西走了五米,我们的位移不相等;但是,当题目中比较矢量的大小的时候,实际上要求你比较的是“矢量的大小”的大小(有点拗口)。

矢量Δ𝒙的大小,记作|Δ𝒙|正如数学里的绝对值一样,它是非负的。

所以,上面那个表达式应该改为0<|Δ𝒙𝒎𝒊𝒏𝒈|<|Δ𝒙𝒉𝒐𝒏𝒈|

矢量上的箭头记号,物理学中往往可以省略。位移前的差量记号Δ往往也可以省略,甚至位移可能被记做h,l,s等。

在描述一个矢量时,严格来说,必须同时描述它的大小和方向。

另外,我们还可以用有向线段来表示矢量,如位移可以用由初位置到末位置的有向线段来表示,此时,有向线段的长度表示矢量的大小,方向表示矢量的方向,其起点与矢量无关

现在,可以解释为什么位置也是矢量了:位置可以被理解为物体相对坐标系原点的位移。

还有一个问题不得不说:位移绝对不是路程。一个最简单的例子可以说明它们的区别:你绕400米的操场跑了一圈,路程,为400米,位移:很不幸,根据定义:Δ𝒙=𝒙0𝒙0=0

物理量

名称:路程。

类型:标量。

符号:s

定义:物体运动路径的长度叫做“路程”。

国际单位:m(米)。

其他常见单位:km(千米)、cm(厘米)、dm(分米)、mm(毫米)。

换算关系:1m=103km=10dm=102cm=103mm

对,路程是传统的“标量”,有大小,没方向,所以,请注意,物体的位移和路程不能相比较,因为他们的性质不同,一个是矢量,一个是标量。不过,位移的大小是可以与路程相比较的。考虑数学里“两点之间线段最短”的公理,我们可以得到:

定理:同一物体位移的大小,小于等于运动的路程,且当且仅当物体做单向直线运动时,等号成立。|Δ𝒙|s

物体运动的快慢:速度与速率

讨论“速度”之前,先要说一说“时间”与“时刻”的差别。

简而言之,时刻,是时间轴上的一个点,譬如说8:00,而时间,即“时间的间隔”,则是时刻的差,是时间轴上的一段线,譬如说100分钟。

时间与时刻都是标量,时刻的记号是是t,而时间的记号则是Δt

考试时经常会涉及一些时间和时刻的表示方法,如5s末(相当于时刻t=5s),4s初(相当于时刻t=3s),3s内(相当于时间0-3s),第5s内(相当于时间4s-5s),也就这些了。

好,下面我们要说说速度,速度是干什么的呢?是用来衡量物体位置变化快慢的。

生活中,我们说,要比赛两个人谁跑的快,总得有个标准,要不然是两个人同样跑100m,比时间,要不然是两个人同时跑1分钟,比谁跑得远。要是时间、跑的距离都不一样,只怕速度也没法比了(当然,可以算速度吗,不过其实这个说法也不严谨)。因此,物理学中,我们把单位时间内物体所通过的位移叫做速度,这样时间一样了,谁跑得远,谁的速度就大。

名称:速度。

类型:矢量。

符号:𝒗

定义:单位时间内物体通过的位移。(是衡量物体运动快慢的物理量)。

定义式:𝒗=Δ𝒙Δt

决定式:Δ𝒗=𝒂Δt

国际单位:m/s(米每秒,亦可写作ms1)。

其他常见单位:km/h(千米每时)。

换算关系:1m/s=3.6km/h

好,就拿这个说事。 速度,也是矢量,也有大小和方向,这个没问题。你往东跑往西跑显然结果不一样吗,要不然怎么有南辕北辙一说呢,不过这个定义要单说了,看看是谁去除以Δt?对,是位移,so,如果今天你没交作业,老师罚你绕操场跑十圈,合着从物理学的角度讲,你的速度是0,因此,请记住,物体的速度与路程无关,即与运动路径无关,只与位移有关。 假如跑道在刚开始的一段是直的,那么,你可能会想到,在你刚刚跑完18圈的时候,你的速度还是正的,故此,可以看出,当物体的速度不断变化时,公式𝒗=Δ𝒙Δt求得的速度并不能准确反映物体的运动状况,这时,我们把这个速度叫做平均速度。而物体在某一时刻的速度,就叫做瞬时速度。 速率和速度,一字之差,意义是有所不同的。瞬时速率指的是物体瞬时速度的大小,因此,它是个标量。不过平均速率可不是平均速度的大小,要不然,你这十圈岂不是真的白跑了?平均速率正是我们日常生活中所说的“速度”,它等于物体所走过的路程与物体运动时间的比值,它也是一个标量。