【物理(一)运动的描述】速度与加速度
【物理(一)运动的描述】速度与加速度
本文详细介绍了物理学中速度和加速度的概念、定义及其相关特性。从速度的定义、比值定义法、平均速度与瞬时速度的区别，到速度时间图像的解读，再到加速度的定义、方向和如何从速度时间图像中分析加速度，内容全面且深入浅出。
一、速度
1.1 速度的定义
我们先来探讨一下什么是速度，在初中的物理学习中我们知道，速度通常用v来表示，速度等于路程除以时间，但是到了高中，我们对于速度的定义有了新的变化。
课本上给出了关于速度的定义，物理学中用位移与发生这段位移所用时间之比表示物体运动的快慢，这就是速度。那这和我们初中的速度有什么不同呢？
经过上一节的学习我们知道，位移是一个描述物体位置移动距离和移动方向的物理量，是一个既有大小又有方向的矢量，我们现在用位移变化与所用时间之比来定义速度，很明显速度也带有了方向，此时的速度也是一个既有大小又有方向的矢量，速度的方向就是位移变化的方向。
我们通常用字母v来表示速度，用Δt来表示时间段，用Δx来表示在该时间段内物体产生的位移（既有大小又有方向），我们给出速度的定义式v = Δx/Δt。
在国际单位制中速度的单位是米每秒，可以写成m/s，或者m·s⁻¹。
1.2 比值定义法
我们上面介绍速度的定义时使用的就是比值定义法，什么是比值定义法？比值定义法就是用两个基本的物理量的“比”来定义一个新的物理量的方法，比如我们之前学习的密度、压强、比热容等，物理中很多物理量都是用比值定义法定义的。
比值定义发有一个特点，就是被定义的物理量往往是反映物质的最本质的属性，不会受到定义所使用到的物理量的变化而变化，比如一个物质的密度并不会因为体积或者质量的变化而变化，我们这里的速度也是如此。
与比值定义法相对的是决定式定义法，决定式是根据物理量的产生和变化由哪些因素决定而写成的数学式，也就是说决定式定义法定义的物理量会随着决定式中的物理量的改变而改变。
1.3 平均速度和瞬时速度
我们先来看一下平均速度和瞬时速度的含义，从含义来研究二者的区别，课本中还给出了一个速率，我们这里也一起研究了
名称 | 含义 |
|---|---|
平均速度 | 物体在一段时间内运动的平均快慢程度及方向 |
瞬时速度 | 物体在某一时刻的速度，既有大小又有方向 |
速率 | 瞬时速度的大小，只有大小没有方向 |
我们再给出速度定义的时候的式子v = Δx/Δt实际就是平均速度，描述的是一段时间内物体运动的快慢以及运动的方向，而瞬时速度指的是某一时刻物体的速度，时刻我们在上一节也介绍了，时刻可以理解成一个时间点，一个时间无限短的时间段。
如果一个物体是匀速直线运动，那么它的瞬时速度等于平均速度，很好理解，因为匀速直线运动中物体任何时刻的速度都是相同的，最后求一个平均还是相同的（大小和方向均相同）。
这里插播一个小小的对比，我们来对比一下初中所学的速度与高中所学的速度的区别
初中所学的速度
- 只有大小没有方向；
- 两个速度相等只是大小相等，没有考虑方向；
- 匀速运动只限定了速度大小不变；
高中所学的速度
- 既有大小又有方向；
- 两个速度相等既要求大小相等也要求方向相同；
- 匀速既限定了速度的大小不变也限制了速度方向不变；
通过对比我们知道，高中所说的匀速运动既表明了速度的小小不变，也要求了速度的方向不变，所以在高中的学习中，我们可以将匀速运动等价为匀速直线运动，换句话说匀速运动一定是直线运动。
1.4 速度时间图像
上一节我们介绍了位移时间图像，位移相对时间的变化的图像就是位移时间图像，放到这里，速度相对于时间变化的图像就是速度时间图像，速度时间图像的横轴是时间t，纵轴是速度v，可以从速度时间图像中直观的看到某一时刻物体的速度大小和方向。
- 速度时间图像中两条线的交点表示两个物体在这一时刻的速度大小相等方向相同；
- 速度时间图像的斜率大小表示速度变化快慢；
二、加速度
2.1 加速度的定义
还是按照惯例，我们要研究一个东西，首先就要知道它的定义，物理学中把速度的变化量与发生这一变化所用时间之比，叫作加速度，和速度一样，加速度也是一个用比值定义法定义的物理量，加速度描述的是物体速度变化的快慢以及速度变化的方向，也就是说加速度也是一个既有大小又有方向的矢量，在国际单位制中加速的单位是m/s²，或者写作m·s⁻²。
2.2 加速度的方向
课本中单独拿一小节介绍了直线运动时加速度的方向，说加速度的方向与速度变化的方向相同，特地给出了一个直观的图形
我们这里从另一个角度来说一下加速度，虽然会涉及一点后面的知识，但是放在这里介绍能帮助我们更加深刻的理解加速度和加速度的方向。
我们知道运动和力是分不开的，而加速度实际就是力的产物，比如有一辆车在做匀速直线运动，我们给它栓一条绳子往后拉它，它的速度就会逐渐减小，而这个向后拉它的力产生了一个向后的加速度，让这个物体产生了向后的速度变化Δv，所以加速度的方向是向后的，与速度变化的方向相同，学完后面的知识我们就会知道，实际加速度和力是有一个计算公式的，力的方向就是加速度的方向。
2.3 从速度时间图像看加速度
上面我们介绍了什么是速度时间图像，那如果我们想知道物体在某一个时间段中的加速度要怎么求呢？一句话，根据定义！
加速度的定义是一段时间内速度变化与时间的比值，我们只需要知道这段时间的速度变化和时间即可，很明显，横坐标的插值就是时间大小，纵坐标的插值是速度变化，两个量的比值就是我们要求的加速度，如果是正那说明加速度方向与物体的运动方向相同，如果是负那说明加速度方向与物体的运动方向相反。