【学习导引】本讲的重点是对平均速度和瞬时速度的理解。要注意高中对平均速度的定义与初中对平均速度的定义的区别:前者是一个矢量,后者没有方向,是个标量。 在平均速度过渡到瞬时速度时,要认真体会极限思维方法,进而知道平均速度和瞬时速度的区别与联系。 速度:物理学中用位移与发生这个位移所用的时间的比值表示物体运动的快慢. 位移是矢量,既有大小又有方向,所以速度也是矢量,既有大小又有方向,它描述物体位置改变的快慢. 1.匀速直线运动 物体在一条直线上运动,如果在任何相等的时间里的位移总相等,那么这种运动就叫做匀速直线运动.匀速直线运动可以简称为匀速运动.如果作匀速运动的物体在时间内的位移是,那么这个物体的的速度:. 2.匀速直线运动的图像 两个物理量之间的关系可以用公式来表示,也可以用函数图像来表示.
(1)匀速直线运动的位移图像 用一个平面直角坐标系的横轴表示时间,纵轴表示位移大小,画出和的关系图,这种图像叫做位移-时间图像(-图像),简称位移图像.因为匀速运动的位移和时间成正比,即,所以它的-图像是一根过原点的直线.右图中的是速度为的匀速运动的位移图像,是速度为的匀速运动的位移图像.我们还可以利用-图像求出物体运动速度的大小.从中可以看出, -图线的斜率就是物体的速度大小. 在-图线上任取两点和(尽量分开一些),如果已知它们的坐标为和,如右图所示,则-图线的斜率:(2)匀速直线运动的速度图像 用一个平面直角坐标系的横轴表示时间,纵轴表示速度,画出和的关系图,这种图像叫做速度-时间图像(-图像),简称速度图像.因为匀速运动的速度不随时间而变化,所以它的-图像是一根平行于轴的直线.右图中的是的匀速运动的速度图像,是的匀速运动的速度图像.因为匀速运动的位移,而图中矩形的宽是物体运动的时间(),矩形的高是物体运动的速度(),所以矩形的面积就能代表物体在这段时间内的位移大小.这就是说我们可以应用-图像求出物体在任意一段时间内位移的大小. 3.变速直线运动的平均速度和即时速度 (1)平均速度 物体在一条直线上运动,如果在相等时间里的位移不相等,它作的就是变速直线运动.变速直线运动的物体没有恒定的速度,我们可以用平均速度来粗略地描绘它位置变化的快慢.运动物体的位移和它发生这段位移所用时间的比叫做物体在这段时间里(或者说在这段位移中)的平均速度,即. 作变速直线运动的物体的平均速度跟我们所取的时间段(或位移段)是有关的. (2)即时速度 平均速度只能粗略地描述作变速运动物体的运动情况. 要精确地描述变速直线运动,还需要知道物体在某一时刻(或位置)的速度.物体在某一时刻(或位置)的速度叫做即时速度(瞬时速度).
如何定义物体运动的即时速度?前面将速度定义成位移和时间的比值,而物体在某一时刻(或某一位置上)是不可能有位移和时间的,因此必须设法给出一个合适的定义.假设一辆车沿着一条直线AB作变速运动(如右图所示),如果以车在段上的平均速度作为点的即时速度,无疑是比较粗略的.如果用车在段上的平均速度作为,一般说来就要好一些.用的平均速度作为,就更好一些.当我们使点无限趋于点时,的平均速度就无限趋近,因此我们可以将当点无限靠近点时的平均速度定义为点的即时速度.当无限趋近点时,段的位移和车经过段的时间都趋向于零,因此即时速度实际上定义为两个无限小量之比(微分方法).根据两个无限小量趋近于零的快慢不同,两个无限小量之比可能是一个定值,也可能是一个无限小量或无限大量. (3)速率 速度是一个表示物体位置变化快慢的矢量,某些情况下,它并不能表示出物体运动的快慢. 为了能比较确切地描写物体运动的快慢,我们引进了速率这个物理量:一个物体在某段时间中运动轨迹的长度跟它运动时间之比,叫做这个物体在这段时间里的平均速率. 物体某时刻即时速度的大小,叫做它在该时刻的即时速率. 下期课程我们讲解速度和速率的相关例题。
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