生活和科学研究中经常需要知道物体运动的快慢和方向,你还记得初中是怎样描述物体运动快慢的吗?运动员在比赛中的不同时段,运动的快慢一样吗?
不同的运动,位置变化的快慢往往不同,也就是说,运动的快慢不同。我们已经用位移来表示位置的变化,那么,怎样比较物体运动的快慢呢?物理学中用位移与发生这段位移所用时间之比表示物体运动的快慢,这就是速度( velocity )。
速度通常用字母v表示,如果在时间△t内物体的位移是△x,它的速度就可以表示为
在国际单位制中,速度的单位是米每秒,符号是m/s或m ·s^-1。常用的单位还有千米每时( km/h 或km·h ^-1)、厘米每秒( cm/s或cm · s^-1)等。
速度是矢量,它既有大小,又有方向。速度的方向(物体运动的方向)和位移的方向相同。
▷这里的速度和初中所学的速度含义不完全相同。
平均速度和瞬时速度
一般来说,物体在某一段时间内,运动的快慢通常是变化的。所以,由△x/△t求得的速度v,表示的只是物体在时间△t内运动的平均快慢程度,叫作平均速度( averagevelocity )。
思考与讨论
平均速度描述物体在一段时间内运动的平均快慢程度及方向。那么,怎样描述物体在某一时刻运动的快慢和方向呢?
可以设想,用由时刻t到t+△t一小段时间内的平均速度来代替时刻t物体的速度,如果△t取得小一些,物体在△t这样一个较小的时间内,运动快慢的差异就不会太大。△t越小,运动快慢的差异就越小。当△t非常非常小时,运动快慢的差异可以忽略不计,此时,我们就把△x/△t叫作物体在时刻t的瞬时速度( instantaneous velocity )。
匀速直线运动是瞬时速度保持不变的运动。在匀速直线运动中,平均速度与瞬时速度相等。
瞬时速度的大小通常叫作速率( speed )。汽车速度计不能显示车辆运动的方向,它的示数实际是汽车的速率(图1.3-1)。日常生活中说到的“速度”,有时是指速率,要根据上下文判断。
实验
测量纸带的平均速度和瞬时速度
测量平均速度 我们知道,用手拉通过打点计时器的纸带时,纸带运动确定时间内的位移信息就被记录下来,据此,可以计算纸带的运动速度。
图1.3-2是打点计时器打出的一条纸带示意图。若想计算实验时运动的纸带在D、G两点间的平均速度v,只需测出D、G间的位移△x和所用的时间△t,就可以算出平均速度
请根据上述方法,计算上节实验中运动的纸带某些点间的平均速度。
每隔0.1 s(或更短)计算一次平均速度。
1.在图1.3-2中选取纸带上一点为起始点0,后面每5个点取一个计数点,分别用数字1,2,3,…标出这些计数点;
2.测量各计数点到起始点О的距离x,记录在表1中﹔
3.计算两相邻计数点间的位移△x,同时记录对应的时间∆t;
4.根据△x和△t计算纸带在相邻计数点间的平均速度v。
表1手拉纸带的位移和平均速度
测量瞬时速度下面考虑如何测量图1.3-2中E点的瞬时速度。
E点在D、G两点之间,D、G两点间的平均速度我们可以求出。如果不要求很精确,用这个平均速度粗略地代表E点的瞬时速度,也未尝不可。不过,如果把包含E点在内的间隔取得小一些,例如取图1.3-3中的DF线段,那么经过D、F两点所用的时间△t就会变短,用两点间的位移△.x和时间△t算出的平均速度代表纸带在E点的瞬时速度,就会精确一些。D、F两点离E点越近,算出的平均速度越接近E点的瞬时速度。
▶D、F两点间距离过小,测量误差会增大。所以,实际测量中要根据需要及所用仪器的情况,在要测量的点附近选取合适的位移和时间。请考虑此实验中产生误差的原因。
请根据上述测量瞬时速度的方法,计算上节实验中纸带上各计数点的瞬时速度。每隔0.06 s计算一次速度。
1.从纸带起始点О算起,后面每3个点取一个计数点;
2.测量各计数点到起始点О的距离x,记录在表2中;
3.计算两相邻计数点间的位移△x,同时记录对应的时间 △t;
4.根据△x和△t算出的速度值就可以代表在△x这一区间内任意一点的瞬时速度。将算出的各计数点的速度值记录在表2中。
表2手拉纸带各计数点的瞬时速度
速度—时间图像
物体运动的速度随时间变化的情况可以用图像来直观表示。以时间t为横轴,速度v为纵轴,坐标中的图像即为速度—时间图像或v-t图像。
在方格纸上建立直角坐标系,根据自己算出的手拉纸带的v、t数据,在坐标系中描点,练习画v-t图像。