你知道物理學中,為什麼要引入「位移」嗎?

2021-01-10 騰訊網

「×××,說一下什麼是位移。」

「恩——」

好久以前的一節課,他滿懷期待地向我「求助」,希望終結沒有止境的提問,結果卻是一個低頭不語和一個搖頭無奈。

「位移是從初位置到末位置的一條有向線段」,也許你還能依靠「肌肉記憶」回答出來這句話。這是教材上的刻板描述,它的完整描述是「物理學用一個叫位移的物理量來表示質點的位置變化。設質點由初位置A運動到末位置B,從A指向B的有向線段AB,就可以用來表示質點在這次運動中發生的位移。有向線段的長度表示位移的大小,有向線段的方向表示位移的方向。位移既有大小,又有方向,它和力一樣,也是矢量。」[1]

人民教育出版社《物理 第一冊》位移的描述

這樣講沒有問題,也很好地定義了什麼是位移。不過,當時在我看來「位移」 的定義似乎是一個文字遊戲,沒有什麼實際用處!更不知道它存在的意義!

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於是,一個問題藏在了一名高中生心底——(物理學)為什麼要引入「位移」?

為了容易理解,我們舉個例子:

想像一下,王者榮耀遊戲中,你操作著阿珂浪裡個浪地閒逛,打打野,偷偷buff。

阿珂

突然,發現只剩血皮兒的安琪拉,竊喜~

於是,你「戰神」附體:

3技能(「幻舞」、隱身)(快速)迂迴2技能(「瞬華」、位移),cang~(一聲,一刀解決)xiu~(四聲,逃之夭夭)。

一波操作用時5秒,走的這條路線大概0.05m,為了確立「神」的地位,你還估算了這次迂迴的平均速率大約是0.01m/s。[2]但是,戰場形勢瞬息萬變,你選擇的路徑還可能是、……不論選擇哪條路徑,得到的信息也只有路程和速率罷了,能得到的信息竟少得可憐。

對戰地圖

換個角度,剛剛的操作,你關注的是什麼?我想一定是阿珂和安琪拉(假設她不動)的位置,就好像阿珂的位置有一個傳送門入口,安琪拉的位置有一個傳送門出口,你很難確定中間的路徑如何?完全不在乎。

傳送門

恭喜你!你剛剛得到的就是一段位移。

我們可以在OA連線上建立一維坐標系,「阿珂的位置」是初位置,坐標O(0,0),「安琪拉的位置」是末位置,坐標A(0,2),位移大小

方向從O指向A;也可以建立二維坐標系,「阿珂的位置」是初位置,坐標O(0,0),「安琪拉的位置」是末位置,坐標A(2,2),位移大小

方向從O指向A;還可以建立三維坐標系,相信不用多講,你也可以想像到位移大小的計算有多繁瑣了[3]。

這裡,我們忽視了一點,位移是矢量,它和坐標是等價的,雖然我們口頭上總是說「位移是從初位置到末位置的一條有向線段」,實際上我們卻總是在潛意識裡忽視這一點。學過《普通物理》後,阿珂在這段時間的位移就可以用r(t)表示,這種方式形式上更加簡潔、完整。一般地,阿珂在任意一段時間t內(A到B)的位移就可以用r=r(t+t)-r(t)來表示(矢量用粗體表示,下同),阿珂運動的平均速度為

當B無限接近A時,時間t將趨向於無限小,可以求出阿珂在B點的瞬時速度為

平均加速度為

瞬時加速度為

也可以通過積分反過來計算路程。

位移矢量

最終我們發現,選擇適當的坐標系,結合具體條件以矢量形式分析,既可以使問題的描述更加簡潔,也可以突出物理本質,更能從大量繁瑣的計算中解脫出來,在理想模型下分析和解釋問題,位移的引入歸根結底是思維的進化。

[1]摘自《物理 第一冊》人民教育出版社2000年3月第2版;

[2]為研究方便,將阿珂看成質點;

[3]如果研究再複雜點的問題,坐標系就會變成痛苦之源,讓你痛不欲生。

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