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如何准确理解速度和加速度的物理意义

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速度和加速度是高中物理运动学中的两个非常重要的物理量,对它们的准确理解是学好运动学的前提。因现行高中物理课本对它们的表述不十分清楚,导致大多数学生对它们的物理意义的理解产生了偏差。在各种物理教学杂志上也刊登了许多教师的不同观点,但都没能表示出速度和加速度的准确物理意义

中学物理课本中对速度是这样表述的:“速度是表示物体运动快慢的物理量。”那么,什么是运动快慢呢?显然这样的表述是不准确的,没有直接表示出速度的真正物理意义。要想准确理解速度,应该先从物理学中为什么要引入这个物理量入手。我们都知道运动学是研究一个物体相对于别的物体的位置发生变化的规律的学科,所以运动学中首先需要引入一个物理量来描述物置的变化,那就是位移。因运动物体的位置是随时间发生变化的,又必须再引入一个物理量来描述物体的位置随时间变化的快慢,那就是速度,所以速度是表示物体的位置变化快慢的物理量。

而物体的速度又会随时间发生变化,因而需再引入一个物理量来描述物体的速度随时间变化的快慢,那就是加速度。速度是矢量,速度的大小或方向发生变化都会引起加速度的变化。许多人认为,如果是速度的大小发生了变化,导致加速度变化,那么加速度表示的就是物体速度大小变化的快慢;如果是速度的方向发生了变化,导致加速度变化,那么加速度表示的就是物体速度方向变化的快慢。

毋庸置疑,加速度是描述物体的速度随时间变化快慢的物理量,它反映的是物体的速度矢量随时间变化的快慢。因而它既不同于速度的大小变化快慢,也不同于速度的方向变化快慢。速度的大小变化快慢其实表示的是速率随时间变化的快慢,而速度的方向变化快慢则表示的是速度矢量转过的角度随时间变化的快慢,也就是角速度,所以加速度既不表示速度的大小变化快慢,也不表示速度的方向变化快慢。

运动学中质点做曲线运动时,把沿轨道切线方向的加速度叫做切向加速度,把沿轨道法线方向的加速度叫做法向加速度,也就是向心加速度。切向加速度使质点速度的大小发生变化,法向加速度使质点速度的方向发生变化。切向加速度表示的是因速度的大小发生变化而引起的速度矢量变化的快慢,法向加速度表示的是因速度的方向发生变化而引起的速度矢量变化的快慢。

所以,运动学中位移是表示物体的位置变化的物理量,速度是表示物体的位置变化快慢的物理量,加速度是表示物体的速度变化快慢的物理量,它们都是矢量。