Mục lục bài họcĐang ở d01-b1
← AP Physics C: Mechanics
0/28 bài đã học xong
Chương 1 · Unit 1 — Kinematics · Bài 1/4 của chương · bài 1/28 của AP Physics C: Mechanics

Position, Velocity and Acceleration as Calculus

Vị trí, vận tốc, gia tốc — quan hệ đạo hàm và tích phân
← Mục lục bài học
Lý thuyết · English

One derivative down, one integral up

In Physics C every kinematic statement is a calculus statement. Position $x(t)$, velocity $v(t)$ and acceleration $a(t)$ sit on a single ladder:

$$v(t)=\frac{dx}{dt},\qquad a(t)=\frac{dv}{dt}=\frac{d^2x}{dt^2}$$

Going the other way you integrate, and every integration produces a constant that only the initial condition can fix:

$$v(t)=v_0+\int_0^t a(t')\,dt',\qquad x(t)=x_0+\int_0^t v(t')\,dt'$$

On a graph the two operations become slope and signed area. The area under $v(t)$ is displacement, not distance travelled; area below the axis subtracts. To get distance you must integrate $|v(t)|$, which means splitting the integral at every instant where $v$ changes sign.

Two quantities are routinely confused. Average velocity is $\bar v=\dfrac{\Delta x}{\Delta t}$; average speed is $\dfrac{\int|v|\,dt}{\Delta t}$. They agree only when the motion never reverses.

A particle is speeding up when $v$ and $a$ have the same sign — equivalently when $\dfrac{d}{dt}\left(v^2\right)=2va>0$ — and slowing down when they have opposite signs. The sign of $a$ alone says nothing about speed.

Giải thích tiếng Việt

Ở Physics C, mọi phát biểu động học đều là một phát biểu giải tích. Vị trí $x(t)$, vận tốc $v(t)$ và gia tốc $a(t)$ nằm trên cùng một cái thang:

$$v(t)=\frac{dx}{dt},\qquad a(t)=\frac{dv}{dt}=\frac{d^2x}{dt^2}$$

Đi ngược lại thì lấy tích phân, và mỗi lần tích phân đẻ ra một hằng số mà chỉ điều kiện đầu mới chốt được:

$$v(t)=v_0+\int_0^t a(t')\,dt',\qquad x(t)=x_0+\int_0^t v(t')\,dt'$$

Trên đồ thị, hai phép đó thành độ dốcdiện tích có dấu. Diện tích dưới đồ thị $v$ là độ dời, không phải quãng đường; phần dưới trục trừ đi. Muốn quãng đường thì phải lấy $\int|v|\,dt$, tức là cắt tích phân tại mọi thời điểm $v$ đổi dấu rồi cộng các giá trị tuyệt đối.

Hai đại lượng hay bị lẫn: vận tốc trung bình $\bar v=\dfrac{\Delta x}{\Delta t}$, còn tốc độ trung bình là $\dfrac{\int|v|\,dt}{\Delta t}$. Hai cái chỉ bằng nhau khi vật không đảo chiều lần nào.

Vật nhanh dần khi $v$ và $a$ cùng dấu, tương đương $\dfrac{d}{dt}\left(v^2\right)=2va$ dương; chậm dần khi trái dấu. Riêng dấu của $a$ không nói được gì về tốc độ.

Đạo hàm đi XUỐNG thang, tích phân đi LÊN thang x(t) v(t) a(t) d/dt d/dt mũi tên xanh: lấy tích phân, phải cộng hằng số đầu t v diện tích DƯƠNG ÂM đổi chiều độ dời = tổng CÓ DẤU quãng đường = cắt tại chỗ đổi dấu rồi cộng trị tuyệt đối Nhanh dần khi v và a CÙNG dấu — dấu của a một mình không nói được gì.
Cái thang và cái bẫy diện tích. Xuống thang là đạo hàm, lên thang là tích phân — và mũi tên xanh luôn kéo theo một hằng số ($v_0$ hoặc $x_0$) mà đề bài phải cho. Bên phải là chỗ mất điểm quen thuộc: vùng xanh và vùng đỏ cộng lại có dấu ra độ dời; muốn quãng đường thì phải tìm nghiệm của $v(t)=0$, cắt tích phân tại đó, rồi cộng $\left|\Delta x\right|$ của từng khúc.
Ví dụ — từ gia tốc ngược về quãng đường

Một chất điểm chuyển động trên trục $x$ với $a(t)=6t-4$ (đơn vị SI), $v(0)=-3$ m/s, $x(0)=2$ m.

a) Viết $v(t)$ và $x(t)$. b) Tìm thời điểm $t>0$ vật đổi chiều. c) Tính độ dời và quãng đường trong $0\le t\le 2$ s.

Giải.

a) Tích phân lần một, hằng số lấy từ $v(0)=-3$:

$$v(t)=\int\left(6t-4\right)dt=3t^2-4t+C,\quad v(0)=C=-3\;\Rightarrow\;v(t)=3t^2-4t-3$$

Tích phân lần hai, hằng số lấy từ $x(0)=2$:

$$x(t)=t^3-2t^2-3t+2$$

b) Đổi chiều khi $v=0$ và $v$ đổi dấu: $3t^2-4t-3=0$ cho $t=\dfrac{4+\sqrt{16+36}}{6}=\dfrac{4+\sqrt{52}}{6}\approx 1{,}869$ s (nghiệm âm loại).

c) Độ dời là hiệu hai giá trị của $x$:

$$\Delta x=x(2)-x(0)=\left(8-8-6+2\right)-2=-4-2=-6\text{ m}$$

Quãng đường phải cắt tại $t_1\approx1{,}869$ s vì $v$ đổi dấu ở đó. Tính $x(t_1)\approx 1{,}869^3-2\cdot1{,}869^2-3\cdot1{,}869+2\approx -4{,}06$ m.

$$s=\left|x(t_1)-x(0)\right|+\left|x(2)-x(t_1)\right|\approx\left|-6{,}06\right|+\left|0{,}06\right|\approx 6{,}12\text{ m}$$

Quãng đường lớn hơn trị tuyệt đối của độ dời đúng vì có một khúc đi ngược. Nếu hai số bằng nhau mà đề có nghiệm $v=0$ đổi dấu thì chắc chắn đã bỏ sót khúc ngược.

Bẫy hay mất điểm — Lỗi đắt nhất của chương: lấy $\left|\int v\,dt\right|$ làm quãng đường. Đề Physics C gần như luôn cài một khoảng vật đi ngược, và phần âm sẽ ăn bớt phần dương, cho ra một con số nhỏ hơn thật. Cách chặn cơ học: trước khi tính bất kỳ quãng đường nào, giải $v(t)=0$ trước; nếu có nghiệm trong khoảng lấy tích phân thì bắt buộc cắt tại đó. Lỗi sinh đôi với nó là quên hằng số tích phân — thấy chữ "từ trạng thái nghỉ" thì $v_0=0$, nhưng "thả từ độ cao $h$" không có nghĩa $x_0=0$.
Phải nhớ — Xuống thang lấy đạo hàm, lên thang lấy tích phân và cộng hằng số đầu. Diện tích có dấu cho độ dời; quãng đường phải cắt tại nghiệm của $v(t)=0$. Nhanh dần hay chậm dần đọc từ dấu của tích $va$, không đọc từ dấu của $a$.

Đọc xong rồi — làm thử ngay

Bài tập của chương Unit 1 — Kinematics gồm 14 câu trắc nghiệm và 5 đề tự luận. Đáp án hiện ngay khi chọn, miễn phí.

Làm bài tập chương →