物理學(xué)之運(yùn)動(dòng)的基本概念有哪些(物理學(xué)中運(yùn)動(dòng)的概念)
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.概念基礎(chǔ)
1.物理模型的概念
物理模型：實(shí)際的物理現(xiàn)象通常非常復(fù)雜。為了簡化分析過程，我們必須抓住主要因素（那些與問題相關(guān)的特征）而忽略次要因素（那些對問題影響不大的特征）。所做的描述稱為物理模型。根據(jù)模型分析得出的結(jié)論，與實(shí)際情況相比，誤差在可接受的范圍內(nèi)。因此，可以用模型來代替實(shí)際事物，從而大大簡化分析問題的復(fù)雜度。
模型是對實(shí)際問題的抽象，是研究問題的方法。例如，“粒子”的概念是用于描述（替換）實(shí)際“物體”的模型。粒子分析得出的結(jié)論可以應(yīng)用于真實(shí)物體。
2、機(jī)械運(yùn)動(dòng)
機(jī)械運(yùn)動(dòng)：指一個(gè)物體相對于另一個(gè)物體的空間位置的變化。
力學(xué)：研究物體機(jī)械運(yùn)動(dòng)規(guī)律的物理學(xué)分支稱為力學(xué)；它包括三個(gè)部分：（1）運(yùn)動(dòng)學(xué)，只研究運(yùn)動(dòng)規(guī)律；(2)靜力學(xué)，僅研究受力條件；(3)研究動(dòng)力學(xué)的受力條件與運(yùn)動(dòng)規(guī)律之間的關(guān)系。
1.幾個(gè)基本概念（粒子、參考系、坐標(biāo)系）
1、質(zhì)點(diǎn)的定義：用來代替物體的、具有質(zhì)量的點(diǎn)。
粒子的性質(zhì)：它具有物體的全部質(zhì)量；它占據(jù)一個(gè)位置，但不占據(jù)空間；它是對實(shí)際物體的近似，它在現(xiàn)實(shí)中并不存在，它只是一個(gè)理想化的物理模型。
2.實(shí)際物體可以被視為粒子的條件：當(dāng)物體的尺寸和形狀相對于要研究的問題可以忽略不計(jì)時(shí)。在高中物理中，除非另有說明，物體都可以被視為粒子。
3、參考系的定義：在描述一個(gè)物體的運(yùn)動(dòng)時(shí)，選擇作為標(biāo)準(zhǔn)的另一個(gè)物體稱為參考系（即被認(rèn)為是靜止的物體）。
4.運(yùn)動(dòng)的相對性：物體是否運(yùn)動(dòng)以及如何運(yùn)動(dòng)取決于其位置相對于所選參考系是否發(fā)生變化以及如何變化。如果選擇不同的參考系，同一物體的運(yùn)動(dòng)可能會(huì)不同。默認(rèn)情況下，除非另有說明，否則選擇地面或相對于地面靜止的物體作為參考系。
5.坐標(biāo)系
確定參考系后，為了定量描述物體的位置和位置變化，必須建立坐標(biāo)系。
當(dāng)運(yùn)動(dòng)軌跡為直線時(shí)，可建立直線坐標(biāo)系。具體方法是：以軌跡所在直線為x軸，并在直線上指定原點(diǎn)、正方向和單位長度。這樣，該位置就變成了坐標(biāo)軸上的一個(gè)點(diǎn)，每個(gè)位置都可以被賦予一個(gè)坐標(biāo)值。換句話說，實(shí)現(xiàn)了位置的定量描述。
6、方向和坐標(biāo)值的正負(fù)號(hào)
對于物體的位置，其坐標(biāo)是包含正負(fù)號(hào)的值（例如，X1=-2.5m，X2=2.5m）。正負(fù)號(hào)并不表示坐標(biāo)值的大小，而是表示該位置位于原點(diǎn)的哪一側(cè)。正號(hào)表示物體在靠近正方向的一側(cè)（X2=2.5m），負(fù)號(hào)表示物體在遠(yuǎn)離正方向的一側(cè)（X1=-2.5m）。
2.描述空間和時(shí)間的概念（矢量和標(biāo)量、時(shí)間、位移）
1.向量和標(biāo)量
矢量是具有大小和方向的物理量，例如力、位移、速度、速度變量、加速度等。
標(biāo)量是只有大小而沒有方向的物理量，例如時(shí)間、長度、質(zhì)量等。這里所說的方向是空間意義上的方向。由于向量是有方向的，因此無法直接比較向量的大小。
2.時(shí)刻和時(shí)間
物理學(xué)中的時(shí)間指的是時(shí)間間隔；time對應(yīng)于時(shí)間線上的一條線段，moment對應(yīng)于時(shí)間線上的一個(gè)點(diǎn)。時(shí)間對應(yīng)的物理量是過程量，時(shí)間對應(yīng)的物理量是狀態(tài)量。
假設(shè)起始時(shí)間為t1，結(jié)束時(shí)間為t2。要計(jì)算時(shí)間間隔，應(yīng)從后來的時(shí)間中減去原始時(shí)間。公式表示如下：
t=t2t1
當(dāng)時(shí)間間隔t變得足夠小時(shí)，可以認(rèn)為初始時(shí)間t1和結(jié)束時(shí)間t2是相同的時(shí)間。
3、位置與位移
位移是用來描述物體位置變化的物理量。它是一個(gè)向量。位移可以用從初始位置到結(jié)束位置的有向線段來表示。有向線段的長度表示位移的大小和有向線段的方向。指示位移方向。
路徑是一個(gè)標(biāo)量，即物體軌跡的長度。只有當(dāng)物體沿一個(gè)方向做直線運(yùn)動(dòng)時(shí)，物體的位移才等于所行進(jìn)的距離。
對于線性運(yùn)動(dòng)，位移的計(jì)算被簡化為代數(shù)運(yùn)算。假設(shè)對象在“初始時(shí)間t1”處于“初始位置x1”并且在“最終時(shí)間t2”處于“最終位置x2”。位移等于最終位置的坐標(biāo)減去初始位置的坐標(biāo)，其中坐標(biāo)必須有正負(fù)號(hào)。也就是說，利用代數(shù)運(yùn)算規(guī)則，公式如下：
x=x2x1
例如，t1時(shí)刻對應(yīng)的初始位置x1=-2.5m，t2時(shí)刻對應(yīng)的最終位置x2=2.5m，則時(shí)間間隔（t=t2-t1）內(nèi)的位移為x=x2-x1=2.5m-(-2.5m)=5m，符號(hào)為正，表示位移方向與指定的正方向相同。
4.位移時(shí)間圖像
采用平面坐標(biāo)系，橫軸表示時(shí)間t，縱軸表示空間x；
以每個(gè)時(shí)間t0為橫坐標(biāo)，對應(yīng)的物體位置x0為縱坐標(biāo)，在平面坐標(biāo)系上畫點(diǎn)，然后用平滑的曲線將點(diǎn)連接起來，得到曲線（或圖像）；
單獨(dú)看某一點(diǎn)，它的橫坐標(biāo)代表時(shí)間t，縱坐標(biāo)代表空間位置x；看某一幅圖像，橫坐標(biāo)對應(yīng)的變化量代表時(shí)間間隔t，其對應(yīng)的縱坐標(biāo)變化量代表位移x，正負(fù)號(hào)反映位移的方向；
基于上述情況，得到的圖像稱為位移時(shí)間圖像（x-t圖像），簡稱位移圖像。
位移圖像反映了物體的位移隨時(shí)間的變化。從圖像中可以直接讀取運(yùn)動(dòng)物體在某一時(shí)刻的位置；還可以得到物體在一定時(shí)間間隔內(nèi)的位移；兩個(gè)圖像的交集代表兩個(gè)對象。那一刻相遇（即處于同一空間位置）。
位移圖像只能用于直線軌跡的運(yùn)動(dòng)，位移圖像本身并不是物體的運(yùn)動(dòng)軌跡。
利用位移圖像獲取物體在一定時(shí)間間隔內(nèi)的位移，即可計(jì)算出物體的平均速度。
3.描述粒子運(yùn)動(dòng)速度的物理量
1.速度
(1)速度的定義：速度v等于物體的位移x與該位移發(fā)生所需時(shí)間t的比值。其表達(dá)式為：
v=x/t
(2)速度的物理意義：用來描述物體位置變化快慢的物理量。
(3)速度是矢量，其大小在數(shù)值上等于單位時(shí)間內(nèi)位移的大小，單位為m/s，其方向與位移方向相同。對于大小相等但方向不一致的情況，兩個(gè)速度是不同的速度。
(4)若x=-5m，t=2s，則v=-2.5m/s，其中速度大小為2.5m/s，且速度方向與指定的正方向相反。指定的正方向是指建立的直線坐標(biāo)是由時(shí)間確定的x軸的正方向。
2.平均速度和瞬時(shí)速度
(1)平均速度：運(yùn)動(dòng)物體的位移與時(shí)間的比值，方向與位移方向相同。當(dāng)提及平均速度時(shí)，應(yīng)注明相應(yīng)的時(shí)間間隔或相應(yīng)的位移。平均速度是行駛距離與時(shí)間的比值。
(2)瞬時(shí)速度：運(yùn)動(dòng)物體在某一時(shí)刻或某一位置的速度。瞬時(shí)速度簡稱為速度。除非另有說明，當(dāng)提到“速度”時(shí)，均指瞬時(shí)速度。瞬時(shí)速率等于瞬時(shí)速度的大小，簡稱速率。
3.速度測量
原則：當(dāng)時(shí)間間隔t足夠小時(shí)，初始時(shí)刻t1和最終時(shí)刻t2可以認(rèn)為是同一時(shí)刻，物體的平均速度（近似）等于該時(shí)刻的瞬時(shí)速度v，即，v=.但如果時(shí)間間隔太小，兩點(diǎn)之間的距離就會(huì)太小，測量誤差就會(huì)增大。因此，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況選擇兩個(gè)測量點(diǎn)。
儀器和紙帶處理：打點(diǎn)定時(shí)器，如果使用50Hz交流電源，打點(diǎn)時(shí)間間隔為t=0.02s。為了方便問題的處理，也可以對紙帶進(jìn)行處理，每五個(gè)點(diǎn)選取一個(gè)計(jì)數(shù)點(diǎn)，使得每個(gè)計(jì)數(shù)點(diǎn)之間的時(shí)間間隔為T=0.1s。
4.速度-時(shí)間圖像
采用平面坐標(biāo)系，橫軸表示時(shí)間t，縱軸表示速度v；
以每個(gè)時(shí)刻t為橫坐標(biāo)，對應(yīng)的（瞬時(shí)）速度v為縱坐標(biāo)，在平面坐標(biāo)系上畫點(diǎn)，然后用平滑的曲線將點(diǎn)連接起來，得到曲線（或圖像）；
單看某一點(diǎn)，它的橫坐標(biāo)代表時(shí)間t，縱坐標(biāo)代表速度v；看某幅圖像，橫坐標(biāo)對應(yīng)的變化表示時(shí)間間隔t，其對應(yīng)的縱坐標(biāo)表示時(shí)間間隔t。變化代表速度變化v，正負(fù)號(hào)反映了速度的方向；
基于上述情況，得到的圖像稱為速度-時(shí)間圖像（v-t圖像），簡稱速度圖像。
速度圖像反映了物體瞬時(shí)速度隨時(shí)間的變化。從圖像中可以直接讀取運(yùn)動(dòng)物體在某一時(shí)刻的速度；還可以獲得物體在一定時(shí)間間隔內(nèi)的速度變化；兩幅圖像的交點(diǎn)代表這兩個(gè)物體在該時(shí)刻具有相同的速度（不一定處于同一空間位置）；當(dāng)速度圖像與時(shí)間軸相交時(shí)，表示物體運(yùn)動(dòng)的方向發(fā)生了變化（即速度的正負(fù)號(hào)發(fā)生了變化）。
速度圖像只能用于軌跡為直線的運(yùn)動(dòng)，速度圖像本身并不是物體的運(yùn)動(dòng)軌跡。
利用速度圖像獲取物體在一定時(shí)間間隔內(nèi)的速度變化，即可計(jì)算出物體的平均加速度。
4.描述速度變化快慢的物理量
1、變速
速度變化量是描述速度變化程度的物理量。其單位與速度單位相同，均為m/s。
v=v2v1=vtv0
v是一個(gè)向量，v1對應(yīng)時(shí)間t1，表示時(shí)間上的前一個(gè)速度，v2對應(yīng)時(shí)間t2，表示時(shí)間上的后一個(gè)速度；v0和vt的含義類似，v0對應(yīng)時(shí)間0，表示時(shí)間上之前的速度。vt對應(yīng)時(shí)間t，表示時(shí)間上落后的速度。
速度v1、v2、v都是向量，因此計(jì)算時(shí)采用代數(shù)運(yùn)算規(guī)則，并且必須注意符號(hào)。
例如，v1=-2m/s，v2=3m/s，則v=v2v1=3m/s(-2m/s)=5m/s。
將這個(gè)公式稍微變形一下，我們可以得到v2=v1+v，即最終速度v2等于初始速度v1加上速度變化v得到的值。
2.加速
定義：加速度是速度變化與發(fā)生這種變化所需時(shí)間的比率。它也稱為速度變化率。用公式表示：
a=v/t
式中，時(shí)刻0對應(yīng)的速度為v0，時(shí)刻t對應(yīng)的速度為vt，時(shí)間間隔為t，速度變化量為v。
加速度是一個(gè)矢量，其大小在數(shù)值上等于單位時(shí)間內(nèi)速度的變化，其方向與v的方向相同。
物理意義：加速度是用來描述物體速度變化快慢的物理量。
需要特別強(qiáng)調(diào)的是，速度v、速度變化v和加速度a之間沒有必然聯(lián)系。
通過速度圖像可以得到時(shí)間間隔t和速度變化v，進(jìn)而計(jì)算出加速度a。必須注意的是，時(shí)間間隔的初始時(shí)刻對應(yīng)于初始速度v0，最后時(shí)刻對應(yīng)于最終速度vt。
以初速度方向?yàn)橹付ㄕ较?；如果v1=2m/s，v2=-3m/s，t=2s，則v=v2v1=-5m/s，則a=-2.5m/s2。其中，加速度大小為2.5m/s2，加速度方向與指定的正方向相反。也就是說，1秒內(nèi)，速度降低了2.5m/s。
3、加減速運(yùn)動(dòng)的判斷
當(dāng)加速度a與初速度v0同向時(shí)，速度變化v=at與初速度v0同向，物體沿直線加速。例如v0=-3m/s，a=-2m/s2，方向相同，物體加速。
當(dāng)加速度a與初速度v0的方向相反時(shí)，速度變化v=at的方向與初速度v0的方向相反，物體沿直線減速。例如v0=6m/s，a=-2m/s2，方向相反，物體減速。
判斷加速度a和初速度v0是否同向，只需看兩者的正負(fù)號(hào)是否相同即可。