一些美國大學在申請過程中需要申請者提交SAT2物理成績,老師在此為大家講解SAT2物理部分的重點內容。本文講解SAT2物理之基礎運動學。
基礎運動學(Kinematics)主要會涉及三個物理量,Displacement、Velocity和Acceleration。
1 Displacement 位移
Displacement,中文叫做位移,它指的是物體位置的移動,它其實是一個Vector,是從物體的開始位置指向物體的結束位置。Displacement對應Scalar的概念是路程。路程和位移最大的區別在于,比方說你現在在跑步,跑步的軌道是環形的,那你在跑完了一圈以后,最終又回到了開始位置,在這個過程當中,因為開始位置和結束位置是一樣的,所以在這個過程當中,Displacements是等于0的,但是路程等于你跑步軌道的整個周長。
2 Velocity 速度
Velocity,中文叫做速度,它和我們平時講的speed是有不同的,Velocity本質上是一個矢量,那它既包含大小,也包含方向。
3 Acceleration 加速度
Acceleration指的是速度的變化率,與Velocity對應的Acceleration也應該是一個矢量,它也是帶有方向的。
上圖出現的兩個公式是平時物理當中,最常用的兩個計算位移的公式。上面一個公式中的d,代表的是Displacement,vi代表的是這個物體開始的時候,它的Velocity,t代表的時間,a代表的是它的Acceleration。應用這個公式需要注意v和a是在同一個直線上來的。如果v和a的方向是相同的話,那么兩個可以同時取正號,如果v和a方向相反的話,說明這個物體做的是減速運動了,a應該是帶符號的。
這個公式具體可以用在,當我們知道一個物體以什么樣的速度在加速,或者知道它的初速度多少,那么它在這一段時間里面跑了多少路,我們是可以用這個公式計算出來的。第二個公式屬于一個高端操作,這個公式可以用在跟這個時間沒有關系的情況下,只想知道一開始的速度、結束時的速度、加速度和Displacement是多少。
4 Projectile Movement 拋物運動
針對Projectile Movement,最簡單的一種情況是豎直上拋運動,就是這個物體是原地向上拋出去的。它的初速度是朝上的,加速度實際上是由于重力產生的重力加速度,那么它是恒定的向下的加速度,這個情況的話,它就屬于一個直線運動,它只會y的方向上做上下運動,所以我們只需要運用上圖的第一個公式就可以了。
針對斜拋運動、平拋運動,它在剛才的基礎上加了一個X方向的運動,這個時候就需要用到剛才講的矢量分析。我們先把它拆成X方向和Y方向,在Y方向上它受到一個由于重力產生的重力加速度了,它有一個向下的重力加速度,所以它對應的是第一個公式。它在X方向上,因為它是沒有加速度的,就是一個最簡單的勻速直線運動。所以,X方向的Displacement只需要將X方向上的初速度乘以time,就可以分別求出X方向和Y方向的距離了。
5 Circular Movement 曲線運動
我們在運動學里面第二個經常會遇到的一個問題是Circular Movement曲線運動,我們會稱之為圓周運動。
這里同學經常會犯的一個錯誤是,假如說一個物體,它以一個恒定的速率繞著這個圓圈做圓周運動的話,這個物體它到底有沒有加速度,很多同學說它的速度沒有發生變化,一直都是一樣大的,所以它是沒有加速度的。這個說法是錯誤的,剛才我們說了,Velocity的本質是一個Vector,在這個過程當中,它的大小沒有發生任何變化,但是方向一直在發生著變化,所以只要是在做曲線運動,它的Velocity的方向一直在變,就一定會有加速度。
這個加速度如果真的有剛才講的這種情況,速度是恒定的,那加速度應該等于多少呢?這個加速度我們會稱之為向心加速度,它的大小有兩個公式。
第一個公式的v是物體的速度,r是它去走這樣一個圓圈的半徑。第二個公式不是w,是歐米伽,代表它的一個加速度。通過這個公式我們可以看出,當一個物體,它沿相同的弧線做運動的時候,如果它跑得越快,那么它的向心加速度就越大,也就是說它需要的向心力也就越大。
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