Mục lục bài họcĐang ở d01-b1
Position, Velocity and Acceleration as Calculus
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.
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 dốc và diện 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.
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.
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.
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.