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动力学

加速度恒定,v 与 x 就遵循公式

a 恒定 → v=v0+at, x=x0+v0t+½at², v²=v0²+2a·Δx,自由落体(a=g)

把加速度固定成一个值。用滑块设定 a,粒子每秒就快同样的量;速度每秒按 a 一点点累积。这种加速度始终不变的运动叫匀加速运动。自由落体、滑下滑梯的小孩、以恒定力度刹车的汽车,都属于这一类。只要加速度恒定这一个条件,你就不必像上一讲那样每次都重做微分和积分,因为速度和位置都遵循固定的公式:v = v0 + at、x = x0 + v0t + ½at²,以及抽掉时间的 v² = v0² + 2a·Δx。这些公式几乎就是匀加速问题的全部。本讲将用一幅幅图,逐一说清楚它们为什么成立。

用滑块改变加速度 a。你会看到按相等时间间隔打下的粒子位置,以及每一时刻的速度箭头。要盯住速度箭头。a 为正时,箭头每过一格就增长同样的量,每秒增加 a,一格一格地。这才是加速度恒定的真正含义:不是速度恒定,而是速度增加的量恒定。所以位置标记越往后越分得开,因为越来越快。把 a 调大,箭头长得更陡,粒子也跑得远得多。把 a 设为 0,箭头就全都一样,那正是上一讲的匀速运动。

加速度恒定时,速度对时间是一条笔直的直线。拖动时间 t,看速度 v 怎么变。出发时的速度,也就是 t=0 处的高度,是初速度 v0。在它之上,每过一秒就加上 a。直线的斜率正是 a。写成公式就是 v = v0 + at。既然是直线,就没什么要背的:从 v0 出发,每秒累加 a,仅此而已。a 为正就向右上升(加速),为负就向右下降(减速)。上一讲里速度是斜率,这里这个斜率自始至终不变,所以速度本身成了直线。

位置,正如上一讲所见,是速度图下方的面积。在匀加速里速度是直线,所以下方是个梯形。拖动时间 t,看涂色的面积怎样累积。把这个梯形切成两块,意思就清楚了。底下的长方形是只凭初速度走的话会走的距离 v0t。叠在上面的三角形是因加速而多挣的距离 ½at²。两者相加就是 x = x0 + v0t + ½at²。起始位置 x0,加上匀速会走的距离,再加上加速补上的那段距离。a 为 0 时三角形消失,只剩长方形,得到 x = x0 + v0t,就是匀速。

有时你并不关心时间。要走多远才能达到这个速度,或者走这么远之后速度会是多少。这时去掉时间的公式就方便了。在 v = v0 + at 和 x 的公式之间消去 t,就得到 v² = v0² + 2a·Δx。从图上看,v² 是与移动距离 Δx 成正比的笔直直线。拖动 Δx。起跑线的高度是 v0²,直线的斜率是 2a。距离翻倍,v² 的增量也翻倍。要点在于:与距离成正比的是速度的平方,而不是速度本身。所以汽车的刹车距离在速度翻倍时会变成四倍。这是一条不用一次时间、直接把速度和距离连起来的公式。

匀加速最有名的主角是重力。忽略空气阻力,所有下落的物体都以相同的加速度 g、约 9.8 m/s² 被向下拉,与重量无关。用按钮切换三种情况:静止释放、向下抛、向上抛。取向上为正,加速度始终是同一个 -g。变的只有初速度 v0。所以三条速度-时间直线只是起始高度不同,斜率全都相同,是平行线。向上抛时,速度变为 0 的那一刻就是最高点,而在那里加速度仍然是 -g。归根结底,自由落体只是 a = g 的匀加速运动,所以前面的公式全都原样适用。

实际应用总结一下,加速度恒定时运动由四个公式封闭:v = v0 + at、x = x0 + v0t + ½at²、v² = v0² + 2a·Δx,以及用平均速度的 Δx = ½(v0+v)t。遇到题目,先看什么没给。没有时间就用 v² 公式,不需要距离就用 v 公式,按缺少的变量来挑。符号约定也要一开始就定好:通常取一个方向为正,把反方向的速度或加速度(如重力)当作负来代入。自由落体只是 a = g 约 9.8 m/s² 的特殊匀加速。但千万别忘了,这些公式只在加速度恒定时才成立。一旦它变化,就得像上一讲那样回到微分和积分。下一讲,我们把这个匀加速同时用到水平和竖直两个方向上,走向抛体运动。
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