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附加数学 · 直线运动学

由速度函数求位移

同样是对 v 积分,你却常把位置和位移的答案弄混。

速度是时间的函数时,对它积分就得到位置 s,常数由已知的某个位置决定。对速度做定积分,得到的则是两个时刻之间的位移。

本课属于 直线运动单元,建立在位移、速度与加速度的关系之上。

例题:位置与位移

质点沿直线运动,速度为 v = 3t² − 4t m/s。t = 1 时,它相对于 O 的位移是 2 m。求 (a) t = 3 时相对于 O 的位移,(b) t = 1 到 t = 3 之间的位移。

先求 s 的表达式。 s = ∫ (3t² − 4t) dt = t³ − 2t² + c。

代入 t = 1,s = 2:1 − 2 + c = 2,所以 c = 3。于是 s = t³ − 2t² + 3。

(a) t = 3 时的位置。 s = 27 − 18 + 3 = 12 m,在 O 的正方向一侧。

(b) t = 1 到 t = 3 的位移。 直接用定积分,不需要常数:

∫ (3t² − 4t) dt,t 从 1 到 3 = [t³ − 2t²] = (27 − 18) − (1 − 2) = 9 + 1 = 10 m。

两个答案怎样互相印证?

t = 3 时位置是 12 m,t = 1 时位置是 2 m,变化量是 12 − 2 = 10 m,与 (b) 一致。

每次做完都可以这样检验:一个区间的位移,等于末位置减去初位置。

会丢分的写法

常见错误是:问位移,却答了位置;或者问位置,却答了位移。两者的积分相同,所以步骤看上去都没错。

题目措辞 含义 本题答案
「t = 3 时相对于 O 的位移」 t = 3 时的位置 12 m
「t = 1 到 t = 3 之间的位移」 位置的变化 10 m
「总路程」 另一项技能,需要分段 两者都不是

动笔之前,先把题目里的时间和参照点划出来。「相对于 O」问的是位置,「之间」或「期间」问的是变化量。

什么时候直接用定积分?

如果只需要两个时刻之间的位移,就不必先求 s。写出定积分,积分,再相减。

如果题目没有给出任何能求常数的条件,这就是在提示你用定积分。

自测

质点的速度为 v = 4t − 2 m/s。t = 0 时,它相对于 O 的位移是 5 m。求 t = 3 时相对于 O 的位移,以及 t = 1 到 t = 3 期间的位移。

答案

s = 2t² − 2t + c。代入 t = 0,s = 5,得 c = 5,所以 s = 2t² − 2t + 5。

t = 3 时:s = 18 − 6 + 5 = 17 m,在 O 的正方向一侧。

区间位移:∫ (4t − 2) dt,t 从 1 到 3 = [2t² − 2t] = (18 − 6) − (2 − 2) = 12 m。

检验:s(1) = 2 − 2 + 5 = 5,而 17 − 5 = 12。

接下来学什么

位移为零,可能藏着一段很长的路程。请继续区分总路程与位移,然后做直线运动练习。

积分方面的基础在计算定积分。想让老师陪你检查解题过程,请了解一对一附加数学补习。

常见问题

什么时候用不定积分,什么时候用定积分?

题目给出某时刻的位置,要求任意时刻位置时,用不定积分并求常数。只问两个时刻之间的位移时,直接用定积分,不需要常数。

「距 O 的位移」和「t = 1 到 t = 3 的位移」有什么不同?

前者问的是位置,也就是该时刻质点相对于 O 在哪里。后者问的是位置的变化,等于末位置减初位置。两者用的积分相同,代入的方式不同。

怎样检验答案?

区间位移应该等于末位置减去初位置。如果你已经求出 s 的表达式,分别代入两个时刻相减,看结果是否与定积分一致。

题目没给任何条件,能求出常数吗?

不能。没有条件就无法确定常数,这意味着题目期望你用定积分。重新读题,看它问的是不是两个时刻之间的变化。

如果你常因为读错题目的措辞而丢分,一对一课堂里老师可以陪你练习先圈出时间和参照点,再决定用哪种积分。

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