二、匀速直线运动
1、运动的类型。
事物的运动状态分为三类:有序现象(有序运动。可以用数学方程表达其运动规律)、随机现象(随机运动。我们只能用概率、期望值、高阶矩等统计量进行描述)和混沌现象(混沌运动。可以用混沌数学表述其运动规律)。我们现在所介绍的运动类型属于有序运动。
在力的作用下,炁子或者炁流从一个炁粒传到另一个炁粒,使后一个炁粒具有了附加炁子,这个炁粒就要运动。根据运动的方向特征,可以分为直线运动、曲线运动、转动、振动、摆动等;根据运动的速度特征,可以分为匀速、变速(一般指匀变速,又分加速和减速)运动。结合起来直线运动就有匀速直线运动、匀变速直线运动(又分加速直线运动和减速直线运动)。这些运动都是炁粒的位移运动(位置随时间发生变化的运动),叫做机械运动,是最简单最基本的运动形式。而直线运动又是最简单和最基本的运动形式,匀速直线运动又是直线运动中最简单的运动形式。
2、质点和参照物。
描述运动需要用到质点、参考系、坐标系等概念。抛开炁粒的具体特征(大小和形状),我们把整个物体当作一个点来看待,这样就能够使研究问题简单化,这个点就叫做质点。质点是没有体积和形状只有质量的几何点,类似于奇点。炁粒的运动是绝对的,静止是相对的,是相对于某个参照物而言的。参照物是衡量运动的标准物体。参照物是灵活选定的,通常情况下,一般是以地球为参照物。相对于参照物的运动叫做相对运动。坐标系是在参考系上描述质点的运动情况而建立的图形,有直线坐标系(一维坐标系)、平面坐标系(二维坐标系)、立体坐标系(三维坐标系),有加上时间的四维坐标系,还有数学上的n维坐标系。
炁学提示:宇宙是三维的,就是空间维。时间是对空间的反映,时空是可以相互转换的。分出其他维只是为了方便解决问题。
3、质点的运动。
质点的运动用路程(质点走过的路线)、位移(起点和终点的直线距离)、速度、时间、加速度等矢量(有大小和方向的物理量)和标量(只有大小无方向的物理量)表述,可以用代数法和图解法表示。矢量可用带箭头的线段表示,标量用没有箭头的线段表示。速度是单位时间内质点所经过的路程,有瞬时速度、平均速度、加速度等。
4、匀速直线运动。
这是运动的速度和方向始终不变的运动,是一种理想运动,因为实际运动时会同周围的环境物质发生作用而减速、变向。速度v、距离S和时间t的关系式是:
v=S/t或者S=vt
可以用速度图(v-t关系图)和路程图(S-t关系图)表示。速度图围成的面积就是距离。
图4.51路程图和速度图
5、运动的合成。
由分运动求合运动的方法叫做运动的合成。
对于在同一条直线上的匀速直线运动:S=S1+S2。
对于互成角度的匀速直线运动,其合运动也是匀速直线运动,合运动的路程就是两个分运动的路程组成的平行四边形的对角线,这个方法叫做运动的平行四边形法则。
图4.52运动的合成
6、速度的合成和分解。
由分运动的速度求合运动的速度的方法叫做速度的合成。合速度是两个分速度形成的平行四边形的对角线,v2=(v12+v22)1/2。对于同一条直线的运动,v=v1+v2。
速度的分解:一个速度可以分为无数个分速度,其大小依然可以用平行四边形法则求得,是求合运动的反过程。
图4.53速度的合成与分解