第2節 加速度(1 / 2)

2.2.1 賽跑與第二定律

“快看!趕上來了!趕上來了!超過去了!”

伴隨著運動員閃電般衝刺的還有驚呼和全場的轟動。這是在無數次短跑比賽中反複出現的場景。從學校體育課的操場到世界田徑錦標賽的跑道,由於最後的爆發力產生的加速度,經常有所謂的“黑馬”在最後時刻搶先衝過終點,速度紀錄一再被刷新。

顯然,能夠在最後關頭衝出終點的人,一定要在極短時間內提高自己的速度,這種在一定時間內改變速度的過程就是加速的過程。相信每個參加比賽的人在最後的衝刺時都會提速,隻有那個提速最快的人,才能夠勝出。也就是隻有獲得了更大加速度的人,才能獲勝。

不隻是賽跑,在很多速度發生改變的運動中,都會涉及加速度的問題,如賽車,速度爭奪更為緊張刺激,這也使得這項運動成為全世界吸引最多觀眾的比賽之一。

所有速度比賽的懸念就在加速度。如果大家都以各自均勻的速度進行比賽,結果基本上就是可以預知的,也就沒有多少人會去觀看這樣的比賽。每次比賽都會有不同的結果,這就是因為有加速度的原因,運動員會在衝刺時提速,誰獲有最大的加速度,誰就會取勝。由此可見,速度比賽是與力學的第二定律,即加速度定律有關。

在力學三定律中,人們比較熟悉第一定律(即慣性定律)和第三定律(即作用力與反作用力定律),這是因為這兩個定律比較容易理解,也很容易從生活中找到例子,但是,對於第二定律,即加速度定律,就不是很熟悉了。而加速度卻是一個重要的力學概念,也有極為重要的應用價值。

2.2.2 什麼是加速度

加速度(Acceleration)是速度變化量與發生變化所用時間的比值。如果用Δv表示速度變化的量,Δt表示速度變化所用的時間,以a表示加速度,就有a=Δv/Δt加速度是描述物體速度改變快慢的物理量,通常用a表示,單位是米/秒2.加速度是矢量,它的方向是物體速度變化(量)的方向,與合外力的方向相同。在直線運動中,如果速度增加,加速度的方向與速度方向相同;如果速度減小,加速度的方向與速度方向相反。

在經典力學中,加速度是一個非常重要的物理量。在慣性參考係中的某個參考係的加速度在該參考係中表現為慣性力。加速度也與多種效應直接或間接相關,如電磁輻射。

為了便於讀者理解加速度,我們舉例說明:設有A、B兩輛汽車,車開始是靜止狀態,均勻地加速後達到10米/秒的速度,A車用了10秒,而B車隻用了5秒。它們的速度都從0米/秒變為10米/秒,速度改變了10米/秒,所以它們的速度變化量是一樣的。但是很明顯,B車變化得更快一些。我們用加速度來描述這個現象:

A車的加速度aA=ΔvA/tA=10/10=1(米/秒2)

B車的加速度aB=ΔvB/tB=10/5=2(米/秒2)

可知,B車的加速度大於A車的加速度。

顯然,當速度變化量一樣的時候,用時較少的B車加速度更大。也就是說B車的啟動性能相對A車好一些。因此,加速度是表示速度變化的快慢的物理量。

需要注意的是,考察加速度時,隨著物體的運動方式和方向的不同,加速度有不同的表達。通常有以下幾種情況是需要注意的:

①當物體的加速度保持大小和方向不變時,物體就做勻變速運動,如自由落體運動、平拋運動等。

當物體的加速度方向與初速度方向在同一直線上時,物體就做勻變速直線運動,如豎直上拋運動。

②加速度可由速度的變化和時間來計算,但決定加速度的因素是物體所受合力F和物體的質量M。

③加速度與速度無必然聯係,加速度很大時,速度可以很小;速度很大時,加速度也可以很小。例如,炮彈在發射的瞬間,速度為零,加速度非常大;以高速直線勻速行駛的賽車,速度很大,但是由於是勻速行駛,速度的變化量是零,因此它的加速度為零。

④加速度為零時,物體靜止或做勻速直線運動(相對於同一參考係)。任何複雜的運動都可以看作無數的勻速直線運動和勻加速運動的合成。

⑤加速度因參考係(參照物)選取的不同而不同,一般取地麵為參考係。

⑥當運動物體的速度方向與加速度(或合外力)方向之間的夾角小於90°時,速率將增大,速度的方向將改變;當運動物體的速度方向與加速度(或合外力)方向之間的夾角大於90°而小於或等於180°時,速率將減小,速度的方向將改變;當運動物體的速度方向與加速度(或合外力)方向之間的夾角等於90°時,速率將不變,但速度方向改變。

⑦力是物體產生加速度的原因,物體受到外力的作用就產生加速度,或者說力是物體速度變化的原因。當物體做加速運動(如自由落體運動)時,加速度為正值;當物體做減速運動(如豎直上拋運動)時,加速度為負值。