引入
平均速度只能给出一段时间的粗略结果,怎么求“某一瞬间”的速度?
已知加速度随时间变化,怎么反推出某个时刻的速度和位置?
为什么运动学里到处是导数和积分,而不是简单的乘除?
高中阶段处理的是匀变速运动,用 就够了。但真实运动中加速度通常随时间或位置变化,这时必须用微分描述瞬时变化,用积分累加微小变化。微积分不是额外的数学装饰,而是从“平均”过渡到“瞬时”、从“瞬时”回到“总量”的唯一工具。
正文
定义
运动学中,微分用于求瞬时变化率(速度、加速度),积分用于由变化率累加得到总量(速度、位移)。
微分——瞬时变化率
速度是位置 对时间 的一阶导数:
加速度是速度 的一阶导数,也是位置 的二阶导数:
积分——累积效应
速度由加速度积分得到。已知初速度 和加速度 :
位移由速度积分得到。已知初位置 和速度 :
微积分与匀变速公式的对应
匀变速直线运动中 为常量,把上面的积分式算出来就回到高中公式:
这说明高中公式只是微积分在“加速度恒定”这一特例下的结果。加速度不恒定时,必须回到积分式。
两类问题的解法
运动学问题分为两类,正好对应微分和积分:
| 类型 | 已知 | 求 | 方法 |
|---|---|---|---|
| 第一类 | 运动方程 | 速度、加速度 | 逐次求导 |
| 第二类 | 加速度 及初始条件 | 速度、位置 | 逐次积分 |
第二类问题必须给出初始条件(、),否则积分常数无法确定。
引出
当加速度是位置或速度的函数(如空气阻力、弹簧振子),如何求解运动方程?
矢量积分与分量积分有什么区别?为什么通常要拆成 、、 三个方向分别积分?