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IGCSE·Tuition

物理 · 常见难点

我在运动图像中混淆距离和位移

图线突然往下折,你一时不确定物体是在减速、停下,还是在往回走。

本页内容
  1. 为什么两者容易混淆?
  2. 完整例子:走去商店
  3. 带有反向的速度-时间图
  4. 要留意的错误
  5. 自我检测
  6. 接下来去哪里

距离计算你走过的每一米。位移只关心你离起点多远,朝哪个方向。带着这个想法去读每一种图,图线就不再显得自相矛盾。

本页用一段原创的行程来展示这两个概念,而图像模型与残差探索器和速率与能量图像解读器让你在其他图像上练习读斜率和面积。

为什么两者容易混淆?

日常说话里,“你走了多远”可以指其中任何一个。在物理中,这两个词是不同的量,对应不同的图,题目会测试你能否分清自己看的是哪一种图。

一条快速的规则:距离永远不会减少,位移可以减少。距离是标量,只有大小。位移是矢量,有大小也有方向。

完整例子:走去商店

Aina 从家向东走 60 m 到商店,用了 40 s。她在店里待了 20 s。然后她用 60 s 走 60 m 回到家。

总时间: 40 + 20 + 60 = 120 s。

所走的距离: 60 + 60 = 120 m。

最终位移: 她最后在家里,所以是 0 m。

平均速率: 120 m ÷ 120 s = 1.0 m/s。

平均速度: 0 m ÷ 120 s = 0 m/s。

再来看图。距离-时间图上,线先上升 40 s,接着水平 20 s,然后再上升 60 s,从不向下。

位移-时间图上,线先升到 60 m,保持水平,然后降回 0 m。两张图里同一段水平线意味着同一件事:她是静止的,因为斜率为零。

带有反向的速度-时间图

如果你的大纲把速度视为有正负的量,速度-时间图就可能降到轴的下方。假设一辆小车以 +3 m/s 运动 4.0 s,然后以 −2 m/s 运动 2.0 s。

向前的部分: 3 × 4.0 = +12 m。

向后的部分: −2 × 2.0 = −4 m。

位移: 12 − 4 = 距起点 8 m。

距离: 12 + 4 = 16 m,因为距离把两段都当作正的长度相加。

要留意的错误

一位学生看着 Aina 的位移-时间图,见到最后一段线在往下掉,就写”她在减速”。

线往下,是因为她在往起点方向返回,而不是因为速率变小。她回程确实较慢(60 ÷ 60 = 1.0 m/s,去程是 60 ÷ 40 = 1.5 m/s),但这是由斜率的大小显示的,而不是线往下斜这件事。

修正的办法:先读坐标轴标签,再问两个问题。斜率陡还是缓,这给出速率的大小?是正还是负,这给出方向?

自我检测

1. 一位运动员跑完跑道一圈 400 m,用了 50 s,回到起点。求她的平均速率和平均速度。

显示答案

平均速率 = 400 ÷ 50 = 8.0 m/s。位移为 0 m,所以平均速度是 0 m/s。

2. 一个球被垂直向上抛 5.0 m,又在抛出点被接住。说出距离和位移。

显示答案

距离 = 5.0 + 5.0 = 10 m。位移 = 0 m,因为它回到了起点。

3. 速度-时间图显示 +5 m/s 持续 2.0 s,然后 −5 m/s 持续 3.0 s。求位移和距离。

显示答案

第一段:5 × 2.0 = +10 m。第二段:−5 × 3.0 = −15 m。位移 = 10 − 15 = −5 m,即在起点后方 5 m。距离 = 10 + 15 = 25 m。

接下来去哪里

在区分位移与总距离中练习这种区分,再比较距离-时间图与速率-时间图。运动与图像模块收录其余内容,物理术语指南则列出其他同样容易出错的词对。

如果练习之后图像题仍然没把握,老师可以在线上一对一物理补习中检视你批改过的图。

常见问题

距离-时间图可以往下走吗?

不可以。距离是路径的总长度,只能保持不变或增加。往下走的线一定属于位移-时间图,因为朝起点返回会使位移减小。读图时,请永远先看纵轴的标签。

两种图的斜率分别代表什么?

距离-时间图的斜率是速率。位移-时间图的斜率是速度,方向反转时可以是负值。你的课程如何处理负值,请查看大纲,并在答案中写明方向。

图线下方的面积代表什么?

速率-时间图下方的面积是所走的距离。速度-时间图中,轴上方的面积算向前,轴下方的面积算向后,所以净面积是位移。你的课程是否使用负速度,取决于大纲。

为什么平均速率和平均速度不同?

平均速率用总距离,平均速度用位移。如果你最后回到起点,位移为零,所以平均速度为零,即使平均速率不是零。区分两者的就是方向。

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下一步

如果图像题仍像在猜坐标轴表示什么量,一对一的老师可以陪你从零开始画图,让每条线的含义变得清楚。

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