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。