平均速度的公式推导-平均速度公式推导
好的,咱们不整那些虚头巴脑的“起初、其次、最终”,直接上干货。你知道为啥平均速度如此定义吗?实际上就是个“傻”的难题,但用“傻”的难题想通了,世界才变得有趣。 想象一下你坐在跑车上,手里拿个手机,想看看你走了多远。你肯定不会去算每一秒具体跑了多少米,那是忒费事且没必要了。你会想,我走了多少工夫?我跑了多少路程?
对吧?那平均速度不就是路程除以工夫嘛,这没啥好说的吗? 但难题来了。你刚出发,跑得快,几秒内就能跑个五公里。但你到 halfway 的时候,可能腿酸了,跑速慢慢降下来,再走十分钟,只走了两公里。
这时候算一下,平均速度只有 0.25 公里每秒。可你心里清楚,你前头那两公里实际上走得挺快,后头的两公里别看慢,但加起来的总路程是 7 公里,总工夫 12 秒。
那这 7 除以 12 的数值,难道比你中间那 5 除以 5 的数值更“快”吗?显然不是。
这说明啥?说明这 7 公里和 5 公里代表的位移不一样。出于你在头尾两点距离不一样。 这就引出了“位移”和“路程”的区别。路程是你脚下踩过的实际轨迹长度,而位移是起点到终点的直线距离。平均速度的公式 $v = frac{text{位移}}{text{工夫}}$,这个公式里的位移,务必是一个有方向性的矢量。
要是把你绕圈跑了一整天,别看你跑了大量路(路程),但你的位移是零啊。
这时候你算出来的平均速度也是零。但这不代表你没动,只是你的位置没变。 那啥才是我们真正关心的“速度”呢?是让你回家的速度,还是让你跑完圈子的速度?这得看语境。 比方说,你开车去上班。你的出发点是 A,目标地是 B。你开车开了 10 分钟,刚好到了 B。
这时候我们说你的平均速度是 60 公里/小时。
这个 60 公里/小时,代表的是每过一小时,你能从 A 走到 B。
这个数值包含了方向,包含了位移。
要是你说“我跑完这个圈用了 10 分钟”,这也是一句好话,出于它描述的是运动过程的快慢,和终点没直接关系。 反过来想,要是你说“我目前的平均速度是 60 公里/小时”,听起来像是你在匀速跑。但在现实中,人是不可能一辈子不减速的。你可能在前面跑得挺猛,后面又停下来休息、进食、上茅房。
这时候想描述你前半段的速度,后半段的速度,实际上听着别扭。但你有个公式叫“平均速率”,它专门针对路程算的。 这有个庞大的坑,得你小心避开。大量人一听到“平均”,第一反应就是“平均速度”。
实际上在日常口语里,我们说“我的平均速度挺快”,往往是指你的“平均速率”(路程/工夫)挺高,哪怕你中间有停顿。但在科技考试要么严谨的物理题里,这两个词得严格区分开。 要是题目问的是“平均速度是多少”,务必用位移除以工夫。
要是你问的是“平均速率是多少”,就务必用路程除以工夫。
这就像做饭,烧火要用火苗的高度(平均速率,看消耗了多少燃料效率),但炒菜时要管住汤汁的浓度(平均速度,看最终勺子里的味道)。 再举个例子。两个人比赛跑步。A 跑一圈用了 100 秒,B 跑一圈用了 50 秒。
要是从起点 A 跑到终点 A,那他们的位移都是零。
故此他们的平均速度都是零。但他们比赛,哪位更快?B 肯定更快。
这时候我们得看路程。A 跑了 $S_A$ 米,B 跑了 $S_B$ 米。出于 $S_B > S_A$,故此 B 的平均速率更高。 有时候,我们就连能够用“等效速度”来理解。
比方说,你有一小时,你跑了 6 小时。
那你的平均速度是多少?你不能说只有 0.8 小时/小时,那没法比。你得说,要是你把这 1 小时压缩成 6 小时,你的速度是 0.8。
这时候我们还是在用总路程除以总工夫,但这里的逻辑变了。 自然,公式推导起来,当不知疲倦的牛顿、爱因斯坦、欧拉还在接力时,早就被八百年了。
故此,目前的公式就是最简的。
只要记住一句话:位移除以工夫,就是平均速度的灵魂。它不仅能告诉你走走停停的总耗时,还能告诉你起点和终点的相对位置。 最终说句题外话。
实际上大量时候,我们不需求算精确的平均速度。只需求知道大约跑到哪儿了就行。
比如你开车,仪表盘有个“剩余油量”的指针,那实际上是个随机的、不断波动的函数。但平均速度是个线性的、确定的量。它是工夫的函数,$v(t) = frac{text{位移}}{t(t)}$,只要工夫 $t$ 不为零,这个平均值是存有的。 故此啊,下次做题,看到“平均速度”两个字,脑子里自动脑补个车厢,心里想位移是啥。
看到“平均速率”,脑子里就想脚底下踩了多少土。
这两个概念,一个是矢量,一个是标量。别搞混了,那不仅是物理题,更是人生哲学的区别。
要么你直接去终点,要么你绕着终点跑,你的“速度”值也就定了。别费劲去衡量你那绕圈子的“平均速度”,那是浪费算力。
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