第二節 速度
運動與線圖模擬程式

速度 (velocity) 能一次過指出物體運動的快慢及方向,是每個單位時間內物體的位移變化。

符號 定義 單位(符號) 標量/矢量?
\(v\)       位移的變化率

      \(\displaystyle{v=\frac{\text{位移變化}}{\text{所用時間}}}\)
\(\text{m}\ {{\text{s}}^{-1}}\) 矢量

平均速率與瞬時速率必定是正值,因為它們沒有考慮物體移動的方向。速度則能一次過指出物體運動的快慢和方向。


某運動物體的平均速度 (average velocity) 就是總位移變化 (\(\Delta s\)) 除以所用總時間 (\(\Delta t\)):

平均速度   \(\displaystyle{\bar{v}=\frac{\Delta s}{\Delta t}}\)



同樣地,如所示,物體在某時間 \(t\) 的瞬時速度 (instantaneous velocity) 則是位移變化 (\(\delta s\)) 除以所用時間 (\(\delta t\)):

瞬時速度   \(\displaystyle{v=\frac{\delta s}{\delta t}}\)

很多時,瞬時速度會乾脆叫作速度。留意速率和速度均以符號「\(v\)」表示。

在接著時間 \(t\) 後的每個很小時間間距內 (\(\delta t\)) 所出現的位移變化 (\(\delta s\)),就是時間為 \(t\) 時的速度。

速度有甚麼符號?它們會代表甚麼呢?


你可在改變速度的大小和正負號,演示車子的運動,藉此探究速度方向與車子運動的關係。


考慮向右為正,試從模擬結果找出速度正負與位移的關係,在下方選擇正確的項目:

若速度為正 (+),車子
  • 向左移
  • 向右移
  • 保持靜止
,位移
  • 增加
  • 減少
  • 等於 0
  • 維持不變

若速度為負 (−),車子
  • 向左移
  • 向右移
  • 保持靜止
,位移
  • 增加
  • 減少
  • 等於 0
  • 維持不變

【題解】
由於已假設向右為正,所以車子移向右時 \(v > 0\);移向左則 \(v < 0\)。

與速率不同,速度可正可負。所以瞬時速度定義中的 \(\delta s\),亦可正可負。換言之,

當 \(v > 0\),可知 \(\delta s > 0\),表示位移增加;

當 \(v < 0\),可知 \(\delta s < 0\),表示位移減少。

請按「開始」後,調節車子的速度。留意速度的正負,跟車子的位移和行駛方向。

請閱讀下方的例子,掌握速率與速度的概念和分別。

【例題 \(1\)】

一輛全長 \(4 \text{ m}\) 的汽車向右行駛,汽車需時 \(0.10\) 秒以通過路上一盞紅綠燈(見)。若設向左為正,這時汽車的速率和速度為若干?


考慮:

速率 = \(\displaystyle{\frac{\delta s}{\delta t}}\)

\(\delta t\) 乃很短的時間間距。由於時間 \(0.10\) 秒可算是一足夠短的時間間距,換言之:

速率 = \(\displaystyle{\frac{4\ \text{m}}{0.1\ \text{s}}=40\ \text{m}\ {{\text{s}}^{-1}}}\)

由於速率就是速度的量值,而汽車的運動方向為向右,所以

速度 = \(−40 \text{ m}\ {{\text{s}}^{-1}}\)


【例題 \(2\)】

一輛汽車從 \(\text{O}\) 開始在一條直路上向右行駛了 \(20 \text{ km}\)。接着汽車折返 \(\text{O}\) 點,全程花了一小時。求該汽車的平均速率與平均速度。


汽車從 \(\text{O}\) 點出發行了 \(20 \text{ km}\) 後便沿原路折返,換言之:

所行總距離 = \(40 \text{ km}\)
位移變化 = \(0 \text{ km}\)

考慮:

\(\begin{align} \text{平均速率} &= \text{所行總距離} / \text{所用總時間} = 40 \text{ km} / 1 \text{ hr} \\ &= 40 \text{ km}\ {{\text{h}}^{-1}}\end{align}\)

\(\begin{align} \text{平均速度} &= \text{位移變化} / \text{所用總時間} = 0 \text{ km} / 1 \text{ hr} \\ &= 0 \text{ km}\ {{\text{h}}^{-1}}\end{align}\)


若你對速率和速度概念的掌握仍沒信心,可嘗試完成下方的問題,鞏固之前所學內容:

全長 \(4 \text{ m}\) 的汽車花 \(0.10\) 秒通過紅綠燈
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