“描述物体位置的变化,我们需要位移与路程。孟川继续。
他再次以那个走路的男生为例。
“假设他从教室前门(a点)沿直线走到教室后墙中央(b点),距离是8米。那么,他位置的变化,就是从a点指向b点的有向线段,这就是位移。位移是矢量,有大小(8米),也有方向(从a指向b)。”
他在黑板上画出从a到b的箭头。
“而他实际走过的路径的长度,就是路程。如果他确实是沿直线走的,那么路程也是8米。但如果他是弯弯曲曲走过去的,实际路径更长,那么路程就大于位移的大小。”
他又画出曲线路径,标注长度10米。
“位移、矢量?有方向?” 李世民看着黑板上的箭头,眼神微凝。他精通兵法,自然理解“方向”的重要性。一支军队的调动,不仅要看走了多远,更要看向何处运动。这“位移”的概念,与军事行动的“目标指向”何其相似!而“路程”更像是实际消耗的粮草里程。分清两者,对于评估军事行动的效率和意图,至关重要。ez晓税蛧 首发
“起点终点,轨迹。” 萧何看着光幕,心中默算。赋税征收,从各郡县运往长安,关注的是最终抵达国库的数额(效果,类似位移大小),还是运输过程中消耗的成本(过程,类似路程)?以往可能更关注结果,但这“路程”的概念提醒他,过程损耗同样需要精细计算和管理。
“知道了位置变化(位移)和所用的时间,我们自然关心变化的快慢——这就是速度。”
“这是平均速度的定义式,表示在一段时间内物体位置变化的平均快慢和方向。速度也是矢量,方向与位移方向相同。”
他特别强调:“平均速度必须用位移除以时间,而不是路程!因为速度是描述位置变化快慢的,必须用位置变化量(位移)来计算。”
他举例:绕操场跑一圈回到起点,位移为零,所以这一圈的平均速度为零(无论跑得多快),但平均速率(用路程除以时间)不为零。
“速率是标量,只有大小,没有方向,就是路程与时间的比值。日常生活中说的‘速度’,往往指的是速率。”
“而要精确描述每一瞬间运动的快慢,我们需要瞬时速度,简称速度。当时间间隔Δt趋近于零时,平均速度的极限值就是瞬时速度,它精确反映了物体在某一时刻(或某一位置)运动的快慢和方向。汽车速度表指针指示的,就是瞬时速率的大小。”
“平均速度、瞬时速度,” 刘彻对“快慢”极为敏感。他立刻联想到驿站传递、骑兵突击的速度评估。以往只说“日行几百里”,是平均速率。但这“瞬时速度”的概念,让他意识到,运动体的快慢是随时变化的,关键时刻的瞬时速度可能决定战局。若能精确测量和控制瞬时速度,他看向光幕的眼神更加炽热。
“速度必须用位移算,回到起点速度为零?” 这个结论让许多古人感到困惑甚至好笑。
“胡闹!跑了一圈,累得气喘吁吁,怎能说没动?” 市井中有人嗤笑。
“此乃狡辩之辞!动则生变,岂能以起点终点相同便抹杀过程之动?” 儒生中亦有人不满。
他们难以理解这种高度抽象、剥离了主观感受和过程消耗的“客观”描述。这种纯粹的、基于位置变化的数学定义,挑战了他们基于经验和常识的直觉。
“最后,如果速度还在变化,我们就需要描述速度变化的快慢——这就是加速度。” 孟川写下另一个核心公式:
“加速度是矢量,方向与速度变化量Δv的方向相同。注意,加速度的方向与速度方向没有必然关系。加速度方向与速度方向相同时,物体加速;相反时,物体减速。”
他举了例子:汽车启动,速度方向向前,加速度方向也向前,加速;刹车时,速度方向向前,加速度方向向后,减速。
“加速度是联系‘力’与‘运动’变化的关键桥梁,非常重要。匀变速直线运动,就是加速度大小和方向都不变的运动,我们之后会重点研究。”
“加速度是速度变化的快慢” 嬴政默念著,手指在御案上轻轻敲击。他追求的,是帝国力量(速度)的不断增强,而这“加速度”,似乎正是衡量“力量增长快慢”的尺度。若治国、强兵也能找到这样的“加速度”指标并加以控制,他眼中精光闪动。
“加速度方向与速度方向无关?” 这又让不少人费解。在他们看来,“动”自然有趋势,加速自然沿着动的方向,减速自然是反向阻力。这种将“速度”与“速度的变化”拆分开来,并赋予“变化”独立方向的概念,再次冲击了朴素的直觉。
随后的几天里,孟川用大量的小例子、简单的计算题、甚至动画演示,不断巩固和深化这些概念。
他让学生们判断哪些物体在什么情况下可以看作质点;选取不同参考系描述同一运动;在时间轴上标出时刻与时间间隔;计算各种直线和简单曲线运动中的位移、路程、平均速度、平均速率;分析速度-时间图像,从中读取瞬时速度、加速度信息。
古人们跟随着光幕中的讲解和练习,如同隔着遥远的时空,旁听了一门全新的“语文课”——一门描述运动现象的“语言”课。
他们看到,那些看似混乱、不可捉摸的“动”,被“质点”、“参考系”、“时间轴”、“位移箭头”、“速度矢量”、“加速度矢量”等工具,一步步拆解、标注、度量、计算,最终变得清晰、有序,甚至可以用简洁的数学公式来概括和预测。
这种严谨、系统、量化的思维方式,带给部分善于思考的古人的冲击,不亚于最初的铁羽同落实验。
“原来,运动可以如此‘算计’,” 张良感叹,“每一步描述,皆有定义,皆有依据,环环相扣,逻辑严密。这与兵家诡道不同,这是一种明明白白的‘阳谋’,基于对天地规则的确信。”
“物理之学,初看平淡,细思极恐。” 房玄龄对杜如晦低语,“它将万物运动,纳入了统一的度量与框架。长此以往,人们看待世间万‘动’,是否都会习惯性地寻找‘质点’、‘参考系’,计算‘位移’、‘加速度’?这潜移默化之功,恐比任何经典教诲,都更能塑造一代人之心智。”