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加速度與運動方程式

加速度是速度如何改變——而當它固定時,四條簡潔的方程式就能預測整段運動,包括任何在重力下墜落的東西。

加速度真正的意思

加速度是速度改變的快慢——由於速度是向量,加速度也是向量。它的 SI 單位是每秒每秒公尺(\text{m/s}^2):3\text{ m/s}^2 的加速度代表速度每過一秒就增加 3 m/s。

\bar{a} = \frac{\Delta v}{\Delta t}, \qquad a = \frac{dv}{dt}

平均加速度是速度變化除以經過時間;瞬時加速度是它的極限——也就是速度的導數,或速度–時間圖的斜率。

在運動圖示裡看見加速度

加速度正是運動圖示大顯身手的地方。如果頻閃點之間穩定地愈拉愈開,代表速度以固定的速率增加——這就是等加速度,入門物理裡最重要的特例,因為它描述了起步的汽車、滑行到停的冰球,以及每一個在地表附近墜落的物體。

等加速度在圖上讀作:點的間距每一步都增加(或減少)相同的量——每次閃光間速度都做等量的改變。

等加速度運動的四條方程式

當加速度 a 固定時,整段運動就被等加速度運動方程式完全掌握。它們串起五個量——初速 v_0、末速 v、加速度 a、位移 x - x_0、時間 t——只要知道其中三個,永遠能解出其餘的。

v = v_0 + a\,t

速度隨時間線性增長(此式不含位移)。這其實就是等加速度定義的移項。

x - x_0 = v_0\,t + \tfrac{1}{2}\,a\,t^2

以時間表示的位移。其中 ½at² 這一項,是因為速度在改變而多走的路程。

v^2 = v_0^2 + 2\,a\,(x - x_0)

不含時間的方程式——當題目完全沒提到時間(例如「要多遠才停下?」)時最好用。

自由落體:把重力當成等加速度

所有等加速度中最有名的就是重力。在自由落體——只受重力的運動——中,地表附近的每個物體都以g ≈ 9.8 m/s²向下加速,與質量無關。羽毛和鐵鎚真的會一起落下,正如伽利略所主張、阿波羅 15 號太空人在無空氣的月球上所示範的。

v_y = v_{0y} - g\,t, \qquad y = y_0 + v_{0y}\,t - \tfrac{1}{2}\,g\,t^2

把 a = −g 代入的等加速度方程式(取向上為正)。重力在這裡扮演的角色和任何其他等加速度一樣。