fizikzauglom

เกรด 10 · จลนศาสตร์

อัตราเร็วและการเคลื่อนที่สม่ำเสมอ

ระยะทาง เวลา อัตราเร็ว อัตราเร็วเฉลี่ย และการรวมการเคลื่อนที่

18 นาที12 บัตรทฤษฎี
เริ่มบทเรียนแบบโต้ตอบ

อ่านเนื้อหาทฤษฎีของบทเรียนทั้งหมดได้ที่นี่โดยไม่ต้องมีบัญชี ในบทเรียนแบบโต้ตอบ เนื้อหาเดียวกันจะแบ่งเป็นการ์ด ตามด้วยคำถามพร้อมคำอธิบายหลังตอบและโจทย์ฝึก ระบบจะบันทึกความก้าวหน้าของคุณ

ค่อย ๆ ทำความเข้าใจทีละขั้น

ผู้โดยสารเดินไปทางท้ายขบวนรถไฟ สำหรับผู้โดยสารข้าง ๆ เขาเคลื่อนที่ถอยหลัง แต่สำหรับคนบนชานชาลาเขาเคลื่อนที่ไปข้างหน้า ผู้สังเกตทั้งสองจะถูกต้องพร้อมกันได้หรือไม่? เริ่มจากถามว่าการเคลื่อนที่วัดเทียบกับอะไร

ตู้รถไฟเคลื่อนที่กำลังเดินในตู้รถไฟบนชานชาลาทำไมความเร็วจึงต่างกัน?
ผู้โดยสารเดินไปทางท้ายตู้รถไฟ ตรงข้ามกับทิศที่ตู้เคลื่อนที่ผ่านชานชาลา ผู้สังเกตสองคน คนหนึ่งอยู่ในตู้ อีกคนอยู่บนชานชาลา วัดความเร็วของผู้โดยสารคนเดียวกัน ทำไมผลจึงต่างกัน?

เลือกผู้สังเกต

ทำเครื่องหมายบนพื้นตู้รถไฟ ผู้โดยสารที่นั่งอยู่มีระยะห่างจากเครื่องหมายคงเดิม แต่ห่างจากเสาบนชานชาลามากขึ้น การเคลื่อนที่คือการเปลี่ยนตำแหน่งตามเวลาเทียบกับวัตถุอ้างอิงที่เลือก เพื่อให้ตรวจสอบคำอธิบายได้ ต้องมีแกนพิกัดและนาฬิกาด้วย สิ่งเหล่านี้รวมกันเป็นกรอบอ้างอิง ก่อนถามว่าเคลื่อนที่เร็วเท่าไร ต้องระบุว่าเปรียบเทียบตำแหน่งกับอะไร

ระบุก่อนคำนวณวัตถุอ้างอิงx0x₁นาฬิกา tตำแหน่ง: ตัวเลขบนแกน
กำหนดการเคลื่อนที่และการอยู่นิ่งเทียบกับวัตถุอ้างอิงที่เลือก เพื่อบอกตำแหน่งเป็นปริมาณ ภาพนี้ยังระบุแกน x จุดกำเนิดที่ธง และนาฬิกา t การฉายจุดศูนย์กลางรถทดลองลงบนแกนให้พิกัด x₁

เวลาเท่ากัน ระยะทางเท่ากัน

นึกถึงภาพถ่ายการเคลื่อนที่ทุกวินาที หากวัตถุเคลื่อนที่ได้ระยะทางเท่ากันระหว่างตำแหน่งติดกัน และเป็นเช่นนี้สำหรับทุกช่วงเวลาที่เท่ากัน การเคลื่อนที่นั้นสม่ำเสมอ คืออัตราเร็วคงตัว แต่บนทางวงกลม ทิศทางเปลี่ยนตลอดเวลา เวกเตอร์ความเร็วจะคงตัวเมื่อเคลื่อนที่แนวตรงอย่างสม่ำเสมอโดยไม่กลับทิศ การเลี้ยวกับการเพิ่มอัตราเร็วเป็นวิธีเปลี่ยนความเร็วที่ต่างกัน

0 с1 с2 с2 м2 м
ภาพแสดงสามตำแหน่งของรถทดลองคันเดียวที่เคลื่อนที่แนวตรงอย่างสม่ำเสมอ แต่ละวินาทีเคลื่อนที่ได้ 2 m ปลายลูกศรตรงกับจุดเดียวกันบนรถในตำแหน่งที่ต่อเนื่องกัน

หาอัตราเร็ว

รถทดลองเคลื่อนที่สม่ำเสมอเป็นระยะ 12 m ในเวลา 4 s แต่ละวินาทีจึงเคลื่อนที่ได้ 3 m นี่คือความหมายของอัตราส่วน v=S/t โดย S คือระยะทางในหน่วยเมตร t คือช่วงเวลาที่ไม่เป็นศูนย์ในหน่วยวินาที และ v คืออัตราเร็วในหน่วย m/s ในเวลาเท่าเดิม ระยะทางสองเท่าต้องใช้อัตราเร็วสองเท่า ถ้าระยะทางเท่าเดิมแต่ใช้เวลาสองเท่า อัตราเร็วจะเหลือครึ่งหนึ่ง เมื่อ S=0 ในช่วงเวลาที่มีค่าจำกัด อัตราเร็วเฉลี่ยเป็นศูนย์

S = 12 м4 сt = 4 сv =12 м4 сv = 3 м/сทุกวินาทีได้ 3 เมตร
ตัวอย่างการเคลื่อนที่สม่ำเสมอนี้แบ่งระยะทาง 12 m เป็น 4 ช่วงเท่า ๆ กัน ช่วงละ 3 m แต่ละช่วงใช้เวลา 1 s นาฬิกาจับเวลาแสดง 4 s นำระยะทางทั้งหมดหารด้วยเวลาจะได้อัตราเร็ว 3 m/s

ตัวคูณ 3.6 มาจากไหน?

ตัวคูณ 3.6 ในการแปลงอัตราเร็วมาจากไหน? ในหนึ่งชั่วโมงหรือ 3600 s การเคลื่อนที่ด้วยอัตราเร็ว 1 m/s ได้ระยะทาง 3600 m หรือ 3.6 km ดังนั้น 1\,\text{м/с}=3{,}6\,\text{км/ч} ทั้งหน่วยระยะทางและหน่วยเวลาเปลี่ยนพร้อมกัน การแปลงจาก km/h เป็น m/s ให้หารด้วย 3.6 เช่น 36 km/h เท่ากับ 10 m/s ในหนึ่งวินาที รถยนต์ที่เคลื่อนที่ด้วยอัตราเร็วนี้ไปได้ประมาณความยาวรถยนต์นั่งสองคันต่อกัน

อัตราเร็วคงตัว 1 м/сเวลาระยะทางที่เคลื่อนที่1 с1 м× 3600× 36001 ч = 3600 с3600 м = 3,6 км1 м/с = 3,6 км/чจาก км/ч เป็น м/с: หารด้วย 3,6
ด้วยอัตราเร็วคงตัว 1 m/s ใน 1 s จะได้ระยะทาง 1 m หากเพิ่มเวลาเป็น 3600 เท่าจนเท่ากับหนึ่งชั่วโมง ระยะทางก็เพิ่มเป็น 3600 เท่า ได้ 3600 m หรือ 3.6 km ตารางแสดงค่าเท่านั้น ความยาวของแถวไม่ได้แทนระยะทาง

ระยะทางและการกระจัด

เดินไปข้างหน้า 3 m แล้วเดินกลับ 3 m เครื่องนับระยะทางจะแสดง 6 m แต่ตำแหน่งสุดท้ายตรงกับตำแหน่งเริ่มต้น การกระจัดซึ่งเป็นส่วนของเส้นตรงที่มีทิศจากตำแหน่งเริ่มต้นไปยังตำแหน่งสุดท้ายจึงเป็นศูนย์ ระยะทางรวมความยาวทุกช่วงและติดลบไม่ได้ ขนาดการกระจัดไม่เกินระยะทาง ทั้งสองเท่ากันเมื่อเคลื่อนที่เป็นเส้นตรงโดยไม่เปลี่ยนทิศ

จาก A ไป Bกลับมาที่ AABระยะทางตามเส้นโค้งการกระจัด A → Bเริ่มต้น = สิ้นสุดΔr = 0ระยะทาง S > 0การกระจัด 0
ระยะทางรวมทุกช่วงที่เคลื่อนที่ ส่วนการกระจัดเชื่อมจุดเริ่มต้นกับจุดสุดท้าย เมื่อกลับมาที่จุดเริ่มต้น การกระจัดเป็นศูนย์ แต่ระยะทางไม่เป็นศูนย์

อัตราเร็วเฉลี่ย

จะเปรียบเทียบการเดินทางที่มีการเร่งและหยุดได้อย่างไร? ลองนึกถึงการเคลื่อนที่สม่ำเสมอที่ได้ระยะทางเท่ากันในเวลาทั้งหมดเท่ากัน อัตราเร็ว v_{\text{ср}}=S/t ของการเคลื่อนที่นี้เรียกว่าอัตราเร็วเฉลี่ย เวลาที่หยุดอยู่ต้องรวมในตัวส่วน แม้จะไม่เพิ่มระยะทางก็ตาม ยิ่งหยุดนานโดยระยะทางเท่าเดิม ผลลัพธ์ยิ่งน้อย ค่าเฉลี่ยเลขคณิตของอัตราเร็วสองค่าใช้ได้เมื่อใช้เวลาในแต่ละอัตราเร็วเท่ากัน ระยะทางเท่ากันอย่างเดียวยังไม่เพียงพอ

ระยะทางทั้งหมดหารด้วยเวลาทั้งหมด60 км100 км1 ч1 ч0 ч1 ч2 чvср = 160 км / 2 ч = 80 км/ч
ภาพแสดงสามตำแหน่งต่อเนื่องของรถยนต์คันเดียว ชั่วโมงแรกเดินทาง 60 km ชั่วโมงที่สอง 100 km ความยาวของช่วงมีอัตราส่วน 60 : 100 อัตราเร็วเฉลี่ยคือระยะทางทั้งหมด 160 km หารด้วยเวลาทั้งหมด 2 h จึงได้ 80 km/h

กรอบอ้างอิงสองกรอบ

ในหนึ่งวินาที ตู้รถไฟเคลื่อนตำแหน่งเทียบกับชานชาลา และผู้โดยสารยังเคลื่อนตำแหน่งเทียบกับตู้รถไฟด้วย ผู้สังเกตภายนอกต้องรวมการกระจัดทั้งสองเพื่อหาตำแหน่งใหม่ของผู้โดยสาร ให้ \vec v_1 เป็นความเร็วของผู้โดยสารเทียบกับตู้รถไฟ \vec v_2 เป็นความเร็วของตู้รถไฟเทียบกับชานชาลา และ \vec v เป็นความเร็วของผู้โดยสารเทียบกับชานชาลา การระบุเช่นนี้มีความสำคัญ เพราะความเร็วสองค่าแรกตอบคำถามคนละข้อ

ตู้รถไฟเทียบกับชานชาลาv₂v₁ภายในตู้รถไฟv = ?ผู้โดยสารเทียบกับชานชาลา
v₁ คือความเร็วของผู้โดยสารเทียบกับตู้รถไฟ v₂ คือความเร็วของตู้รถไฟเทียบกับชานชาลา ค่า v ที่ต้องการเป็นความเร็วของผู้โดยสารเทียบกับชานชาลา ความยาวลูกศรของความเร็วที่ยังไม่ทราบค่าไม่ได้กำหนดตามมาตราส่วน เพราะยังต้องคำนวณหาค่านั้น

บวกโดยคำนึงถึงทิศทาง

นำผลรวมการกระจัดในช่วงเวลาเดียวกันหารด้วยเวลานั้น จะได้กฎแบบคลาสสิก \vec v=\vec v_1+\vec v_2 ถ้ากำหนดให้ทางขวาเป็นบวก ความเร็วตู้รถไฟ 10 m/s และความเร็วผู้โดยสารเทียบกับตู้ −1 m/s ให้ผล 9 m/s ไปทางขวา เมื่อ \vec v_1=0 ผู้โดยสารเคลื่อนที่ไปกับตู้รถไฟ กฎนี้ใช้กับกรอบอ้างอิงที่เคลื่อนที่แบบเลื่อนที่ด้วยอัตราเร็วน้อยกว่าอัตราเร็วแสงมาก โดยบวกความเร็วแบบเวกเตอร์

v₁v₂vเรือ + กระแสน้ำ
เรือเคลื่อนที่ข้ามแม่น้ำเมื่อเทียบกับน้ำ กระแสน้ำเพิ่มความเร็วตามแนวแม่น้ำ เส้นทแยงแสดงความเร็วของเรือเทียบกับฝั่ง

เมื่อเร่งแล้วอะไรเปลี่ยน?

ภาพถ่ายรถทดลองที่กำลังเร่งในเวลาต่อเนื่องกันจะแสดงอะไร? ช่องว่างระหว่างตำแหน่งจะเพิ่มขึ้น เมื่อเริ่มจากหยุดนิ่งด้วยความเร่งคงตัว ระยะทางในช่วงเวลาต่อเนื่องที่เท่ากันมีอัตราส่วน 1:3:5:7:\ldots เพราะรถเริ่มแต่ละช่วงถัดไปด้วยอัตราเร็วที่มากขึ้น ตอนนี้ถือเป็นคำทำนายของแบบจำลอง ในบทถัดไปเราจะหาพื้นที่ใต้กราฟความเร็วและคำนวณลำดับนี้ออกมา

135ΔtΔtΔt
เมื่อเริ่มจากหยุดนิ่งด้วยความเร่งคงตัว ระยะทางในช่วงเวลาต่อเนื่องที่เท่ากันมีอัตราส่วน 1 : 3 : 5 ช่วงสีต่าง ๆ แสดงระยะทางที่เคลื่อนที่ได้ในแต่ละช่วงเวลา

ลองทำตัวอย่างทีละขั้น

คนเดินเท้าเดิน 300 m ใน 5 นาที แล้วหยุดอยู่ 1 นาที จงหาอัตราเร็วเฉลี่ยตลอดช่วงเวลาทั้งหมด

เดินแล้วหยุดเริ่มต้นหลังเดินS = 300 мเดิน 5 นาที1 мин056 минหา vср ตลอดช่วงเวลา
คนเดินเท้าเดิน 300 m ใน 5 นาที แล้วหยุดอยู่ 1 นาที ภาพคลี่เส้นทางเป็นทางตรงระหว่างสองตำแหน่งของคนเดียวกัน โดยไม่ได้กำหนดรูปร่างเส้นทางจริง ด้านล่างเป็นมาตราเวลาแยกต่างหาก แสดงการเดินห้านาทีและหยุดหนึ่งนาที

ลองดูตัวอย่าง · 1

ใช้ช่วงเวลาทั้งหมด จึงต้องรวมเวลาที่หยุดด้วย

ใช้ช่วงเวลาทั้งหมดเริ่มต้นหลังเดินS = 300 мเดิน 5 นาที1 мин056 минt = 5 + 1 = 6 мин
เส้นทางและมาตราเวลาเหมือนเดิม ต้องการอัตราเร็วเฉลี่ยตลอดช่วงเวลา จึงใช้เวลาครบหกนาทีรวมเวลาหยุดหนึ่งนาทีด้วย การหยุดไม่เพิ่มระยะทาง

ลองดูตัวอย่าง · 2

ระยะทาง S = 300 м; เวลา t = (5 + 1) × 60 = 360 с.

แปลงเวลาเป็นวินาทีเริ่มต้นหลังเดินS = 300 мเดิน 5 นาที1 мин056 минt = 6 × 60 с = 360 с
เส้นทางเดิมมีระยะทาง 300 m บนมาตราเวลาเดิม การเดินห้านาทีและหยุดหนึ่งนาทีรวมเป็นหกนาที: 6 × 60 с = 360 с.

ลองดูตัวอย่าง · 3

ใช้นิยามอัตราเร็วเฉลี่ย: vср = S/t = 300/360 ≈ 0,83 м/с.

หารระยะทางทั้งหมดด้วยเวลาทั้งหมดเริ่มต้นหลังเดินS = 300 мเดิน 5 นาที1 мин056 минvср = 300 м / 360 с ≈ 0,83 м/с
เส้นทางและระยะเวลาคงเดิม นำระยะทางทั้งหมด 300 m หารด้วยเวลาทั้งหมด 360 s ได้อัตราเร็วเฉลี่ยประมาณ 0.83 m/s

ตัวอย่างทีละขั้น · 4

ตรวจสอบ: ขณะเดินมีอัตราเร็ว 1 m/s การหยุดทำให้อัตราเร็วเฉลี่ยลดลง

เปรียบเทียบอัตราเร็วเฉลี่ยเริ่มต้นหลังเดินS = 300 мเดิน 5 นาที1 мин056 минช่วงเดิน: 300 м / 300 с = 1 м/сทั้งช่วงเวลา: ≈ 0,83 м/с
อัตราเร็วเฉลี่ยในช่วงเดินห้านาทีคือ 300 м / 300 с = 1 м/с ตลอดช่วงเวลาทั้งหมด ระยะทางเท่าเดิมแต่เวลามากขึ้น อัตราเร็วเฉลี่ยจึงต่ำลงเป็นประมาณ 0.83 m/s ข้อสรุปนี้ไม่จำเป็นต้องสมมติว่าอัตราเร็วขณะเดินคงตัว

เรามาตรวจสอบผลลัพธ์กันดีกว่า

อัตราเร็วเฉลี่ย ≈ 0.83 m/s หากเดินสม่ำเสมอประมาณ 83 cm ทุกวินาทีตลอด 6 นาที ก็จะได้ระยะทาง 300 m เท่ากัน

ใจความสำคัญ · 1

อธิบายการเคลื่อนที่เทียบกับวัตถุที่เลือก ผู้สังเกตต่างคนอาจวัดความเร็วได้ต่างกันโดยไม่ขัดแย้งกัน

ใจความสำคัญ · 2

ระยะทางรวมทั้งเส้นทาง ส่วนการกระจัดขึ้นกับจุดเริ่มต้นและจุดสุดท้ายเท่านั้น การกลับมาทำให้การกระจัดเป็นศูนย์ แต่ระยะทางไม่เป็นศูนย์

ใจความสำคัญ · 3

อัตราเร็วเฉลี่ยใช้เวลาทั้งหมดรวมเวลาหยุด การบวกความเร็วต้องระบุกรอบอ้างอิงทั้งสองและทิศทาง

เราจะไปที่ไหนต่อไป?

ต่อไปจะรู้จักความเร่งและอธิบายว่าระยะทางเพิ่มขึ้นอย่างไรเมื่อวัตถุเพิ่มอัตราเร็ว

แนวคิดพื้นฐาน

3 แนวคิด

การเคลื่อนที่

การเปลี่ยนตำแหน่งของวัตถุเทียบกับวัตถุอื่นเมื่อเวลาผ่านไป

อธิบายการเคลื่อนที่เทียบกับวัตถุอ้างอิงที่เลือกเสมอ ผู้โดยสารอยู่นิ่งเทียบกับตู้รถไฟ แต่เคลื่อนที่เทียบกับชานชาลา

การเคลื่อนที่ด้วยอัตราเร็วคงตัว

การเคลื่อนที่ที่ได้ระยะทางเท่ากันในช่วงเวลาที่เท่ากัน

ในการเคลื่อนที่แบบนี้อัตราเร็วคงตัว จึงหาระยะทางได้โดยคูณอัตราเร็วกับเวลา

การบวกความเร็ว

กฎสำหรับหาความเร็วของวัตถุเทียบกับกรอบอ้างอิงหนึ่ง จากความเร็วที่เทียบกับกรอบอ้างอิงอื่น

บวกความเร็วแบบเวกเตอร์โดยคำนึงถึงทิศทาง เพื่อเชื่อมการเคลื่อนที่ภายในกรอบอ้างอิงกับการเคลื่อนที่ของกรอบนั้นเอง

ปริมาณทางฟิสิกส์

4 ปริมาณ

อัตราเร็ว

v

ความรวดเร็วในการเปลี่ยนตำแหน่งของวัตถุ

หน่วย: เมตรต่อวินาที · \frac{\mathrm{м}}{\mathrm{с}}

อัตราเร็วเฉลี่ย

v_{\text{ср}}

อัตราส่วนของระยะทางทั้งหมดต่อเวลาเดินทางทั้งหมด

หน่วย: เมตรต่อวินาที · \frac{\mathrm{м}}{\mathrm{с}}

ความเร็วค่าแรกที่นำมาบวก

v_1

ความเร็วของการเคลื่อนที่หนึ่งที่นำมารวมในการบวกความเร็ว

หน่วย: เมตรต่อวินาที · \frac{\mathrm{м}}{\mathrm{с}}

ความเร็วค่าที่สองที่นำมาบวก

v_2

ความเร็วของการเคลื่อนที่ที่สองที่นำมารวมในการบวกความเร็ว

หน่วย: เมตรต่อวินาที · \frac{\mathrm{м}}{\mathrm{с}}

สูตรบทเรียน

5 สูตร

อัตราเร็วคงตัว

v=\frac{S}{t}

อัตราเร็วเท่ากับระยะทางหารด้วยเวลา

อัตราเร็วเฉลี่ย

v_{\text{ср}}=\frac{S}{t}

อัตราเร็วเฉลี่ยเท่ากับระยะทางทั้งหมดหารด้วยเวลาทั้งหมด

เมตรต่อวินาที และ กิโลเมตรต่อชั่วโมง

1\,\frac{\mathrm{м}}{\mathrm{с}}=3{,}6\,\frac{\mathrm{км}}{\mathrm{ч}}

หนึ่งเมตรต่อวินาทีเท่ากับสามจุดหกกิโลเมตรต่อชั่วโมง

การบวกความเร็ว

\vec{v}=\vec{v_1}+\vec{v_2}

ความเร็วลัพธ์เท่ากับผลบวกแบบเวกเตอร์ของความเร็วองค์ประกอบ

ระยะทางในช่วงเวลาต่อเนื่องกัน

l_1:l_2:l_3:\ldots=1:3:5:7:\ldots

เมื่อเริ่มจากหยุดนิ่งด้วยความเร่งคงตัว ระยะทางในช่วงเวลาต่อเนื่องที่เท่ากันมีอัตราส่วนเป็นจำนวนคี่เรียงกัน

เงื่อนไข: วัตถุเริ่มจากหยุดนิ่ง ความเร่งคงตัว และช่วงเวลาเท่ากัน

ทดลองความสัมพันธ์

คาดการณ์ก่อน ปุ่มทดลองจะเปลี่ยนปริมาณที่ระบุ จากนั้นเปรียบเทียบผลและสำรวจค่าอื่น

การเคลื่อนที่และความชันของกราฟ

x = vt

แกนตรง x₀ = 0 และความเร็วคงตัว ค่า x ติดลบเป็นพิกัด ไม่ใช่ระยะทางติดลบ

ถ้าเพิ่ม v จาก 2 เป็น 4 m/s ค่า x ที่เวลา 3 s จะเปลี่ยนอย่างไร?

การคาดการณ์ของคุณ

ค่าเริ่มต้น

แสดงเวกเตอร์
0x, мx = 0 мv = 2 м/с
0-2.42.53.85107.516.21022.4x, мt, с
x

ผลการคำนวณ

x
0 м
v
2 м/с
อธิบายผล

เมื่อเพิ่มความเร็วเป็นสองเท่า พิกัดที่เวลาเดียวกันเพิ่มเป็นสองเท่า ความชันของ x(t) เท่ากับ v และกราฟลดลงเมื่อ v < 0

สูตรที่เกี่ยวข้อง

สูตรเดียวกันในคู่มืออ้างอิง พร้อมสัญลักษณ์และหน่วย

โจทย์ในหัวข้อนี้

โจทย์ ตัวเลือกคำตอบ และวิธีทำ