第二節 物理中的應用
力學中的應用

正變可以很好地形容和記錄物理世界中的很多規律。我們在這裡看看一個力學中的例子。

如互動素材所示,把一個彈弓水平放在光滑的地上,左面一頭接在牆上,右面一頭連接重物。

記錄變量\(\color{green}{\;x\;}\)為重物的位置:以毫米為量度單位;當重物沒有拉扯彈弓時,\(\;x\;\)取值為\(\;0\;\);當重物向右拉開彈弓時,\(\;x\;\)取值為正數;當重物向左擠壓彈弓時,\(\;x\;\)取值為負數。

記錄變量\(\color{green}{\;F\;}\)為彈弓向重物施加的力:以牛頓為量度單位,當這力是向右時,\(\;F\;\)取值為正數;當這力是向左時,\(\;F\;\)取值為負數。

變量\(\;x\;\)與變量\(\;F\;\)的關係可以用物理中的虎克定律來描述:

當\(\;x\;\)的絕對值不太大時,\(\;F\;\)隨著\(\;x\;\)正變,即是\(\;\color{green}{F\propto x}\;\)。

由於彈弓傾向回復到沒有伸縮的自然位置,\(\;F\;\)與\(\;x\;\)的方向恰恰相反:\(\;x\;\)為正數時,\(\;F\;\)為負數;\(\;x\;\)為負數時,\(\;F\;\)為正數。

我們可以更準確地描述變分關係

\[\color{green}{F=-kx}。\]

當中\(\;-k\;\)就是變分常數,取決於使用的彈弓的彈性。互動素材中,\(\;k\;\)取值\(\;0.8\;\)為牛頓每毫米

觀乎此例,正變中的變分常數可以是負數的。

變分\(\;x\;\)的定義域顯然不是所有實數。彈弓不可能無限拉伸,收縮也受限於本身的長度。而\(\;x\;\)和\(\;F\;\)成正比的區域更小了。

實際上,虎克定律只描述了變分\(\;x\;\)與變分\(\;F\;\)在接近\(\;0\;\)時線性近似的關係。變分\(\;x\;\)與變分\(\;F\;\)的正比關係是相當局部的。

根據牛頓第二運動定律,重物會向淨力方向加速,其加速度亦正比於淨力。所以加速度亦隨位置正變。

有關力學的原理,同學可以參看物理科的課件。

有關正變的更多應用,同學可以在多項選擇題中找到。

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