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在日常生活中,速率常常和速度混用,但两者在物理学中对应着不同的概念。速率是一个标量,只有大小,没有方向。它的量纲是长度除以时间。速度的量纲和速率相同,但速度是有方向的向量[1]。物体的瞬时速率等于瞬时速度的大小,而平均速率则不一定等于平均速度的大小。在日常生活中,也用“速度”这个词表示速率的意思。
国际单位制中,速率的單位為米每秒(m/s),但日常生活中較常用的單位是千米每小時(km/hr)或是英制系統下的英里每小時(mph)。海上船只或物体的行進速率,一般會使用節作為單位。
依照狭义相对论,能量或信息所能傳遞的最快速率為真空中的光速c = 299,792,458 米每秒,大約是1,079,000,000千米每小时或671,000,000英里每小時。静止质量不为零的物質要加速到此速率,需要無限大的能量。在相對論物理學中,會用快度來取代古典力學中的速度[2]。
定義[编辑]
用数学语言来描述,如果一个物体在一段时间内移动的路程为,那么它的平均速率(用表示)便是与的比,具体可由下式给出:物体的瞬时速率等于其瞬时速度的大小。然而,物体的平均速率一般不等于其平均速度的大小[3]。盖因路程和位移的概念不同。例如一个物体做匀速圆周运动一周,则其平均速率为一个不为零的定值,但其平均速度是0。
例子[编辑]
瞬時速率[编辑]
車輛上的速度表可以顯示任何时刻的瞬時速率[4]p.42。瞬時速率可能會隨時間而變動,一辆車在某个时刻的瞬時速率50公里/小時,但它維持此速率的時間可以是一秒、一分钟或一小时。不过假若此车連續一小時以50公里/小時的(瞬时)速率行驶,則它所走路程為50公里。平均速率[编辑]
如果一辆車在一小時內行驶了80公里,則它在这一个小时中的平均速率為80公里/小時;若一辆車在第一个小時內行驶了140公里,在接下来的三个小时中行驶了180公里,則它在这四小时内的平均速率也是80公里/小時。但若分别考慮此車第一个小時以及其后三个小時内的平均速率,其數值就不是80公里/小時了。平均速率可能會和過程中的瞬時速率有相當的差異[4]p.42。若已知平均速率和時間,可以求得這段時間所走的路程:
若以圖像的方式,可以利用路程-時間圖来显示速率。路程-時間圖上的曲线表示了物体移动的路程是如何随时间变化的。曲线上任意一點对应着一个时刻和物体在这一时刻移动的路程。曲线在一点上切線的斜率即為此时刻的瞬時速率,而曲线上两點的割线斜率即為对应的二个时刻之間的平均速率。
切線速率[编辑]
物体在单位时间内经历的路程,是为速率或线速率,而如果物体在做圆周运动,那么它的速率也称为切线速率[4]p.131,因为它运动的方向是沿着圆周的切线方向。旋转木马转一圈时,位置靠外的木马走过的路程比位置靠内的木马要多。这说明位置靠外的木马平均速率比位置靠内的木马要大。 對於圓周運動的物體而言,切線速率及線速率二者可互換使用,二者的單位均為m/s或km/h。轉速或角速率是指單位時間内轉的圈數。旋转木马中,不同位置的木马切線速率可能不同,但所有木马在相同時間內都旋轉了相同的圈數,因此其角速率均相同。轉速一般以每分鐘轉速或是以單位時間的弧度作为单位。旋轉一圈的弧度略大於6個弧度(精確值為弧度)。若將角速率加上方向,則成為角速度,前者為一純量,後者則為一向量。若两片CD每秒都旋轉20圈,一片順時針旋轉,另一片逆時針旋轉,那么二者的角速率相同,但角速度不同。
圆周运动的物体(或距旋轉軸固定距離的一點),其切線速率和轉速成正比[4]p.131。不過切線速率和轉速不同,一點的切線速率和距旋轉軸的距離有關,距旋轉軸不同距離的二點,其轉速相等,但切线速率不相等。旋轉軸上的点,其切線速率甚至為零。在一旋轉的物體上,離旋轉軸越遠,會發現线速率越快。若轉速固定,则切線速率和一點距旋轉軸的距離成正比[4]p.132,因此可得下式:
- v為切線速率
- ω為轉速
- r為距旋轉軸的距離
若切線速率、轉速及距離選擇適當的單位(例如切線速率單位選擇m/s,轉速單位選擇弧度/s,距離單位選擇m),上式的比例關係可以變成以下的等式:
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