速度的平方有什么物理意义?

如题所述

  在物理学中,速度是位移随时间的变化率,反映了物体运动的快慢程度;在一些物理公式中,我们经常看见“速度平方”这个物理量,比如:

  

  动能公式: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;

  空气阻力公式:F=(1/2)CρSV^2

  洛伦兹因子γ=1/√(1-v^2/c^2);

  ……

  要想知道速度平方的物理意义,我们先来看牛顿力学的动能公式推导过程:

  

  可以看见,在牛顿第二定律的前提下,速度平方是力对位移积分的必然结果,在积分常数C0等于零的情况下, 物体运动速度的平方与物体的动能成正比例关系,所以我们可以说:速度平方直接反应了物体动能的大小。

  我们知道,牛顿力学是相对论力学在低速下的近似,我们也可以从相对论角度来看速度平方的物理意义,比如下面是物体相对论能量的展开式:

  

  可以看出,在相对论力学中,速度平方出现在物体动能量的一阶量中,速度的四次方出现在二阶量中……,当物体运动速度远小于光速时,物体动能就近似等于mv^2/2,也就是牛顿力学中的动能公式。

  于是我们就可以回答题目的问题了:速度平方是物体动能一阶量中的唯一变量,反应了物体动能的大小,当物体运动速度远小于光速时,速度平方与物体动能近似成正比。

  

  在流体力学中,基本是不会考虑相对论效应的,之所以很多流体阻力公式出现速度平方,是因为很多情况下流体阻力与物体动能呈一次线性关系,比如空气阻力就和物体运动速度的平方成正比。

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第1个回答  2020-09-25

很有趣的问题。

0)没有严格的物理意义

在严格意义上,速度的平方没有有效定义出来的意义。但是,我们可以用直观的方式,甚至用比喻的方式,在头脑中建立其具象意义。

这样的好处对由此推导的复杂概念将会有深刻的洞察力。更重要的一点,当赋予‘速度的平方’以意思,解题应用公式的时候,便能知其然知其所以然,更加得心应手。

言归正传,我们采用逐步拆解的方法,要知道‘速度的平方’有什么物理意义,我们先来看看速度(v)的物理意思。

1)速度v的物理意义

速度是描述运动快慢(和运动方向)的物理量,等于位移与时间的比值。这个定义对我们理解‘速度的平方’无甚帮助。

2)速度在动量中的意义

既然速度的书面定义对我们的问题帮助不大。那么我们尝试构建一座桥梁,先来看看速度在动量中的含义。

动量的公式:

p = mv; p/m = v

其中m质量为定量,也就是说当物体的质量既定,速度决定起动量。

当质量为1kg的时候,p = v

由此,可以理解为速度(v)与动量有关,是动量的决定因素。更进一步,速度是质量为1kg的物体的动量(在速度v下)。

3)速度在动能中的意义

动量公式,只是我们到达动能公式的桥梁:

动能公式为:

E=1/2(m*v²)

由此,速度的平方 v^2=2E/m

按照分析动量类似的逻辑,m(质量)是既定的,v^2便是动能的决定因素,v^2与东呢过有关。

更进一步,当质量为1kg的时候

v²= 2E

由此可以将‘速度的平方’理解为在速度v下,v²的含义是1kg物体的动能的双倍。

4)结论

结论呼之欲出,‘速度的平方’的物理含义1kg物体的动能的两倍。

我们采用的基本逻辑就是应用单位1(kg)去理解一个物理量的物理意义。

这样理解表面看起来有些牵强,但是做题的时候特别管用。

当在题目中看到‘速度的平方’立刻下意识的反应这是11kg质量的动能,下一步只需关注质量多少就可以了。从而帮助提高审题和解题的效率。

5)用直觉理解爱因斯坦的能量公式

宇宙间最伟大的,最优美的能量公式为:

E=mc²

c是光速,

应用我们在第四步的结论来来理解c²,是1kg物质的极限动能,那么质量为m的物体呢?

自然就是E=mc²。

上述过程当然不是能量公式的证明,而只是从直觉上理解。或许爱因斯坦正是先有了这样的直觉理解,随手写下这个公式,然后再展开严格的逻辑证明。

正所谓‘大胆猜猜,小心验证’。

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第2个回答  2020-05-30
速度的平方反应了物体在运动的时候动能的大小。
第3个回答  2021-10-03
应该是没有物理意义。只是数学意义,也就是一个比例量。所谓物理意义就是距离成倍提高时,所花时间也是成倍增加。速度平方还是这个速度。只是不一样的二段描述不一样。而动量是不一样的角度,可以说1kg的动能是速度平方表示,或速度带有√的动能。数学变换不代表物理意义的变换。
第4个回答  2020-05-29
速度平方是物体动能一阶量中的唯一变量,反应了物体动能的大小,当物体运动速度远小于光速时,速度平方与物体动能近似成正比。
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