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高中物理 匀变速直线运动的研究——匀变速直线运动中点位移的速度

2023-04-27 12:39 作者:南宫很二  | 我要投稿

前面讲了匀变速直线运动中间时刻的瞬时速度,即v_%7B%5Cfrac%7Bt%7D%7B2%7D%7D%3D%5Cbar%7Bv%7D%3D%5Cfrac%7Bv_%7B0%7D%2B%20v_%7Bt%7D%20%7D%7B2%7D%20%20%20

今天来讲一下匀变速直线运动中点位移的瞬时速度,即v_%7B%5Cfrac%7Bx%7D%7B2%7D%20%7D%20

一个物体从A 点做匀变速直线运动到B点,M为这段位移的中点,试着用AB两点的速度表示M点的速度。

由于从A到M和从M到B的位移x 和加速度a 都是相同的, 所以利用公式v_%7Bt%7D%5E2-%20v_%7B0%7D%5E2%3D2ax%20计算。

v_%7BM%7D%5E2-%20v_%7BA%7D%5E2%3D2ax%20,v_%7BB%7D%5E2-%20v_%7BM%7D%5E2%3D2ax%20

联立两式得

v_%7BM%7D%5E2-%20v_%7BA%7D%5E2%3D%20v_%7BB%7D%5E2-%20v_%7BM%7D%5E2%20

2v_M%5E2%3Dv_A%5E2%2Bv_B%5E2

v_%7BM%7D%3D%20%5Csqrt%7B%5Cfrac%7Bv_%7BA%7D%5E2%2B%20v_%7BB%7D%5E2%20%7D%7B2%7D%20%7D%20

如果A点速度为初速度v_0,B点速度为末速度v_t,M点速度为中点速度v_%7B%5Cfrac%7Bx%7D%7B2%7D%20%7D%20,那么有v_%7B%5Cfrac%7Bx%7D%7B2%7D%20%7D%3D%5Csqrt%7B%5Cfrac%7Bv_%7B0%7D%5E2%2Bv_%7Bt%7D%5E2%7D%7B2%7D%20%7D%20%20,这就是匀变速直线运动中点位移瞬时速度的计算公式,也是匀变速直线运动七大推论之一。

再来看一个问题,中间时刻瞬时速度v_%7B%5Cfrac%7Bt%7D%7B2%7D%7D%3D%5Cfrac%7Bv_%7B0%7D%2B%20v_%7Bt%7D%20%7D%7B2%7D%20%20和中点位移瞬时速度v_%7B%5Cfrac%7Bx%7D%7B2%7D%20%7D%3D%5Csqrt%7B%5Cfrac%7Bv_%7B0%7D%5E2%2B%20v_%7Bt%7D%20%5E2%7D%7B2%7D%20%7D%20%20的大小关系是怎样的?

最简单的方法是用特殊值法或者平方后作差的方法来进行比较,但这是数学的方法,来看一下物理的方法,利用v-t图像来比较。

如图,物体做匀加速直线运动的图像是一条倾斜的直线,中间时刻瞬时速度很好找到,它将位移分为两个面积不相等的部分,因为物体在加速,所以后一部分的面积大,为了找到中点位移瞬时速度,就要将梯形的中位线向右侧移动,使得左右两边的面积一样大,这样就能发现中点位移瞬时速度大于中间时刻瞬时速度。

如果换成匀减速直线运动,中间时刻瞬时速度左右两侧的面积依然不一样大,为了找到中点位移瞬时速度,就要将梯形中位线向左侧移动,可以发现中点位移瞬时速度还是大于中间时刻瞬时速度。

这样我们得出结论,在匀变速直线运动中,中点位移瞬时速度始终大于中间时刻瞬时速度。

实际在数学课中学习过几个平均值,分别是平方平均值(均方根)%5Csqrt%7B%5Cfrac%7Ba%5E2%2Bb%5E2%7D%7B2%7D%20%7D%20,算术平均值%5Cfrac%7Ba%2Bb%7D%7B2%7D%20,几何平均值%5Csqrt%7Bab%7D%20,调和平均值%5Cfrac%7B2%7D%7B%5Cfrac%7B1%7D%7Ba%7D%2B%20%5Cfrac%7B1%7D%7Bb%7D%20%7D%20。在a>0,b>0时,有%5Csqrt%7B%5Cfrac%7Ba%5E2%2Bb%5E2%7D%7B2%7D%20%7D%EF%BC%9E%5Cfrac%7Ba%2Bb%7D%7B2%7D%EF%BC%9E%5Csqrt%7Bab%7D%EF%BC%9E%5Cfrac%7B2%7D%7B%5Cfrac%7B1%7D%7Ba%7D%2B%20%5Cfrac%7B1%7D%7Bb%7D%20%7D%20%20%20%20,当且仅当a=b 时,四个平均值相等。

通过观察能够发现中间时刻瞬时速度刚好是初末速度的算术平均值,而中点位移瞬时速度是初末速度的平方平均值,根据平方平均值大于算数平均值的结论,在匀变速直线运动中有v_%7B%5Cfrac%7Bx%7D%7B2%7D%20%7D%EF%BC%9E%20v_%7B%5Cfrac%7Bt%7D%7B2%7D%20%7D%20

总结

匀变速直线运动中,中点位移瞬时速度始终大于中间时刻瞬时速度。

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