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# 位移、速度、加速度 在瞭解**位移**、**速度**、**加速度**三者的定義之後,是時候我們可以深入一點探究這三個物理量背後的關係了。我們將使用 **[微積分](/view/2d296cd71a?subj=physics)** 來探討這些東西背後的意義。 ## 函數的切線斜率 在開始研究物理之前,讓我們先複習一下微分的基本定義。我們以 $y=f(x)=x^2$ 的圖形來舉例: ::: desmos dm5ekalsgp ::: 其中,每一點都有各自的**切線斜率**。例如,在 $x=2$ 時,切線斜率為 $2$ ;在 $x=3$ 時,切線斜率為 $6$ 。如果現在我們要把 $f(x)$ 在各個點上的斜率寫作一個函數 $f\prime (x)$ ,我們可以將 $f(x)$ 進行微分: $$ f\prime (x) = \frac{d}{dx} [f(x)]$$ $$ = \frac{d}{dx} [x^2] = 2x$$ 於是我們便能知道,若要求 $y = x^2$ 圖形上任意一點的斜率,只需要將該點的 $x$ 座標帶入 $f^\prime (x) = 2x$ 這個函數就可以了。 ## 速度是位移對時間的微分 回想一下速度與位移的基本定義,並且回想一下 **X-t 圖**與 **v-t 圖**。其實速度就是 X-t 圖上點跟點之間的斜率罷了!若今天求的是瞬時速率,那就是 X-t 圖上某一點的切線斜率。接著,讓我們將 X-t 圖上,X 與 t 的關係寫成函數。 假設有一個函數 $X(t)$,只要將時間 $t$ 代入該函數即可求得該時間的位置,此時,另一個函數 $v(t)$,將時間 $t$ 代入籍可求得該時間的速度,那麼我們就可以說:$v(t)$ 是 $X(t)$ 的微分。 ::: desmos dm5ekalsgp ::: 現在假設 $X(t) = x^2$ ,也就是說,當 $t = 2$時,位置的座標在 $4$,在 $t = 3$ 時,位置座標在 $9$。那我們要怎麼求得 $t = 2$ 和 $t = 3 時的瞬時速度呢?別忘了,**速度是位移對時間的微分**,因此我們可以得到: $$ v(t) = \frac{d}{dt} [X(t)] $$ $$ = \frac{d}{dt} [t^2] = 2t $$ 現在我們知道了 $v(t) = 2t$ 了,我們就可以知道 $t = 2$ 時速度是 $4$,$t = 3$ 時速度是 $6$。 ## 加速度是速度對時間的微分 讓我們再回想一下 **v-t 圖**與 **a-t 圖**,是不是加速度就是速度的斜率呢?仔細想想,斜率就是某單位內的變化,而加速度正是速度的變化量,引此我們可以篤定地說,加速度是速度的斜率;或者說,**加速度是速度對時間的微分**。 ::: desmos 91w2v9orwi ::: 我們回想剛剛求得的 $v(t) = 2t$,如上圖所示。現在,我們要對速度微分,得到一個加速度對時間的函數: $$ a(t) = \frac{d}{dt} [v(t)] $$ $$ =\frac{d}{dt} [2t] = 2 $$ 我們得到了一個函數 $a(t) = 2$,可以知道,再任意時間點,該物的加速度都會是 $2$。 ## 位移—速度—加速度 至此,我們知道了速度是位移對時間的微分,而加速度是速度對時間的微分。換句話說,加速度即是位移對時間的二階微分。用 $f(x)$ 與 $f^\prime (x)$ 的寫法可以寫作: $$ v(t) = X^\prime (t) $$ $$ a(t) = v^\prime (t) = X^{\prime\prime} (t) $$ 若寫作積分的形式,我們可以得到: $$ X(t) = \int v(t) dt $$ $$ v(t) = \int a(t) dt $$ 如果把位移、速度、加速度三個函數畫到同一張圖上,我們便可以得到這樣的圖形。仔細觀察的話可以發現,若今天位移是二次函數,速度便會是一次函數,而加速度即為零次函數(常數函數),這也符合了我們對**微積分**的認知。 ::: desmos qjdkzp1rjp :::
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