下面的知识是大家熟知的,但很少人发现不对劲。
1. 瞬时速度的大小叫做(瞬时)速率。
2. 平均速度=位移除以时间。
3. 平均速率=路程除以时间。
4. 在有些情况下,平均速率等于平均速度的大小,但在一般情况下,平均速率不等于平均速度的大小。
人们刚开始学习高中物理时,一定会遇到这样的题目:计算在某个过程内的平均速度和平均速率。
在这种题目中,平均速率通常不等于平均速度的大小。
比如:某物体在10s内,从东向西移动10m,紧接着,又用10s从西向东移动10m。
它在这20s内的位移为零,所以这期间的平均速度为零。
但是,它在这20s内走过的路程为20m,所以,它这期间的平均速率=20m/20s=1m/s。
这里,平均速率不等于平均速度的大小。
可是,如果某物体在某时刻的瞬时速度方向向东,大小为1m/s,那么它在这时刻的(瞬时)速率必定是1m/s,等于瞬时速度的大小(根据前面的1,这是瞬时速率的定义)。
有些辅导资料专门提出这问题,比如:
它这里问:在什么运动情境中,平均速度的大小才等于平均速率?
学生当然可以对这问题进行分析。但是,我认为,这里还有另一个问题,在我看来可能更重要。
请注意文章开头的1和3:
1. 瞬时速度的大小叫做(瞬时)速率。
3. 平均速率=路程除以时间。
按照不少高中物理课本的讲法,这分别是瞬时速率和平均速率的定义。不觉得这种定义很别扭吗?定义方式为什么这么不统一,这么分裂?
如果它们的关系如此不一样,为什么要使用同一套名词?为什么不使用另外的名词?否则不是容易产生混乱吗?不别扭吗?非要使用同一套名词的理由是什么?
实际上,如果没有合理的理由,那么,这套名词就烂透了!坚持使用这套名词就蠢极了!
实际上,这套名词很好,因为实际上,它们之间的逻辑关系是统一的。
我们看不到这种统一,完全是由于,对有关知识的讲解停留在表面,没有触及根源。
这主意是由于,大部分高中物理(甚至有些大学物理),都没有把这里的“平均”解释透彻,没有把平均量与瞬时量之间的关系说清楚。
为了认识到那些概念之间的统一性,需要这样做(以一维情况为例):