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速度:多快,以及往哪個方向

速率告訴你多快;速度再加上方向——而位置–時間圖的斜率,能把一條彎曲的路徑轉化成瞬時速度。

速率與速度

汽車的時速表顯示的是速率——你跑得多快,不帶方向,所以速率是純量。速度則是速率再加上方向,所以它是向量。兩輛都顯示時速 60 公里、卻迎面對開的車,速率相同速度相反,而正是這個差別讓它們會相撞。

平均速度:位移除以時間

一段時間內的平均速度,就是位置改變了多少除以花了多久。由於位移帶正負號,平均速度也帶正負號——負值只是代表朝負方向運動。

\bar{v} = \frac{\Delta x}{\Delta t} = \frac{x_f - x_i}{t_f - t_i}

平均速度等於位置變化除以經過的時間;其 SI 單位是每秒公尺(m/s)。

舉例來說,若跑者在 20\text{ s} 內從 x_i = 0 向東移動到 x_f = 100\text{ m},平均速度就是 100 / 20 = 5\text{ m/s} 向東。注意這完全沒說她是勻速跑還是最後衝刺——平均本來就刻意抹平了細節。

瞬時速度:把時間放大來看

要把細節找回來,就縮短時間區間。當 \Delta t 愈來愈小,這個縮小視窗內的平均速度就會逼近某一瞬間的速度——也就是瞬時速度,這才是時速表真正想告訴你的東西。

v = \lim_{\Delta t \to 0} \frac{\Delta x}{\Delta t} = \frac{dx}{dt}

瞬時速度是時間區間縮到零時平均速度的極限——也就是位置對時間的導數(微分)。

從圖上讀出運動

位置–時間圖是運動學裡最強大的工具之一,因為它的斜率就是速度。直線代表等速;水平線代表物體靜止;向下傾斜的線代表朝負方向運動;而曲線代表速度本身在改變——這正是通往加速度的大門。

同一串頻閃點,現在改用速度來讀:間距相等就是等速,而兩點之間的間隔除以閃光週期,就是那一步的平均速度。