網友問:速度的平方有什麼物理意義?

2020-12-03 艾伯史密斯

在物理學中,速度是位移隨時間的變化率,反映了物體運動的快慢程度;在一些物理公式中,我們經常看見「速度平方」這個物理量,比如:

動能公式:Ek=(1/2)mv^2;

管道阻力公式:R=(λ/D)*(v^2*ρ/2g);

伯努利方程:P+(1/2)ρv^2+ρgh=C;

空氣阻力公式:F=(1/2)CρSV^2

洛倫茲因子γ=1/√(1-v^2/c^2);

……

要想知道速度平方的物理意義,我們先來看牛頓力學的動能公式推導過程:

可以看見,在牛頓第二定律的前提下,速度平方是力對位移積分的必然結果,在積分常數C0等於零的情況下, 物體運動速度的平方與物體的動能成正比例關係,所以我們可以說:速度平方直接反應了物體動能的大小。

我們知道,牛頓力學是相對論力學在低速下的近似,我們也可以從相對論角度來看速度平方的物理意義,比如下面是物體相對論能量的展開式:

可以看出,在相對論力學中,速度平方出現在物體動能量的一階量中,速度的四次方出現在二階量中……,當物體運動速度遠小於光速時,物體動能就近似等於mv^2/2,也就是牛頓力學中的動能公式。

於是我們就可以回答題目的問題了:速度平方是物體動能一階量中的唯一變量,反應了物體動能的大小,當物體運動速度遠小於光速時,速度平方與物體動能近似成正比。

在流體力學中,基本是不會考慮相對論效應的,之所以很多流體阻力公式出現速度平方,是因為很多情況下流體阻力與物體動能呈一次線性關係,比如空氣阻力就和物體運動速度的平方成正比。

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