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這其中等式的物理意義是什麽?

2022-03-29科學

看來題主是剛剛接觸微積分,還不太了解微積分的數學意義和物理意義間的聯系。 微積分的本意是為了研究變量的變量。 這樣說有點抽象,我們來舉個簡單例子。

我們知道速度是衡量單位時間內移動位移的物理量, v=\frac{ds}{dt} 。對於勻速運動,這個公式簡單明了, \Delta s=v\Delta t ,只要知道了運動時間,就能知道運動位移。如果不是勻速運動呢?我們在此引入了一個新的物理量——加速度,並讓 a=\frac{dv}{dt} 。這意味著,極短時間內的速度變化為加速度。當然,如果加速度是恒定的,我們可以將其簡化成 \Delta v=a\Delta t 。如果我們仍然想知道運動位移與時間之間的關系,該怎麽辦呢?我們已經知道任意極短時間內的位移為 ds=vdt ,而當時的速度為 v=v_{0}+\Delta v=v_{0}+at 。所以,\int_{0}^{s}ds=s=\int_{0}^{t}(v_{0}+at)dt=v_{0}t+\frac{1}{2}at^{2} 。這裏用到的就是微元思維和積分操作。微元思維指的是找到極短時間內變量之間的關系,而積分操作則是純數學計算。

現在來看你的問題。題目中有已知的恒定加速度 a ,需要得到速度與位移之間的關系。第一步就是想辦法在加速度運算式中引入位移。 a=\frac{dv}{dt}=\frac{dvdx}{dtdx}=v\frac{dv}{dx} ,這裏的 dx 指的是極短時間內的位移,所以可以與 dt 消去變成 v 。而後就是純數學操作。因為公式裏還有兩個變量 dv 和 dx ,所以將它們移項到等式兩邊進行積分,得到 {v_{1}}^{2}-{v_{0}}^{2}=2a(x_{1}-x_{0}) 。其實將這個公式變一下形,就會得到動能公式 \frac{1}{2}m{v_{1}}^{2}-\frac{1}{2}m{v_{0}}^{2}=ma(x_{1}-x_{0})=F(x_{1}-x_{0}) 。

至於你提到的另一個問題,解答類似。題目中已知加速度與即時速度有關,為 a=-kv ,求即時速度與時間之間的關系。首先,極短時間內的速度變化為 dv=adt=-kvdt ,成功引入時間變量。而後,將相同的變量放到等式一邊進行積分,就得到 ln\frac{v}{v_{0}}=-kt 。

以上。