《勿理物理》叩殳白

2、运动的描述（一）

　　高中物理人教版课本第一章的标题叫《运动的描述》，主要介绍了一些描述运动的基本物理量。
　　我们知道想要描述一个物体的运动情况，位移、时间、速度都是最基本的物理量，如果速度是变化的，说明物体所受外力不为零，那这时候加速度也成为描述运动的物理量之一。
　　学生在初中学过运动，不过初中物理学得很浅，而且运动形式非常单一，他们只学过两种状态，一种是静止，一种是匀速直线运动。约等于就是没学。所以高中物理干脆从头开始又学了一遍。

　　除了对于机械运动和力学的概念介绍之外，高中物理第一个对应考试的概念叫质点，所谓质点就是有质量的点，意思是我们忽略了这个物体的大小、形状、质量分布，只把它看成了一个点，但是这个点还保留了原有的质量。
　　质点是一个现实生活中不存在的理想化模型，这里使用了理想模型法，实际上是为了简化对运动的研究而引入的。换句话来说，只要这个物体的大小、形状和质量分布对运动本身影响不大，我们就可以忽略它们、继而将该物体视作质点，反之不能。
　　比如我要研究舞蹈演员的表演动作，我就不能把演员看作质点，因为质点没有形状更不可能有动作，但如果我仅仅研究舞蹈演员在一个大舞台上的走位，我就可以把她看作质点。
　　我们可以发现，哪怕是同一个物体，在研究问题不同的时候，“能否看作质点”这一问题的答案也是不一样的。又比如我想研究一辆火车从上海到北京的轨迹，因为火车自身长度相比起整段路程来说太短了，因此可以将火车看作质点，但如果要研究的是火车通过一条隧道的时间，火车长度成为不小的影响因素，这时候就不能忽略它的大小。研究子弹穿过薄纸的时间时也是同理。
　　讲质点这个概念的时候我一般会放一张王者荣耀的左上角小地图。我问他们为什么地图里只有英雄的头像，没有英雄实际的体型，也看不到他们放大招的姿态啊？学生会说，因为地图上能看位置就够了啊，我说对啊，物体位置随时间的变化，这就是机械运动，现在英雄姿态对我们研究机械运动不重要，所以就可以忽略了。
　　质点是个很小的概念，大部分孩子一听就明白了。

　　质点之后的概念是参考系，这也是个一听就懂的很基础的概念。其实这个概念在初中接触过，不过初中物理里面这个概念叫参照物，所谓的参照物或者参考系指的是在描述运动的时候，假定静止不动的物体，因为你要描述一个物体的运动状态，总要说明它到底是相对于谁具有这样的运动状态，选取的参考系不一样，运动情况可能也会不一样，也就是理论上来讲一个物体的运动状态其实有无数种可能，仅仅取决于你到底想选谁作为参考系。到后面也孩子们会接触到“对地速度”和“相对速度”的区别。
　　参考系的选择具有任意性。

　　参考系是可以任意选的，但就像秦始皇要统一文字、货币和度量衡，物理量也有国际单位制，为了方便研究，大部分人会有一个约定俗成的方案，那就是以大地作为假定静止的参考系。
　　物体相对于地面的运动速度和位移简称“対地速度”、“对地位移”，选取地面作为参考系是最朴素的方式，可以解决绝大多数朴素的基本问题。到难度高一些或者计算量大一些的问题上，可能会出现转换参考系的做法，简称“换参”。那个我们等讲到追及相遇的时候再说好了。

　　质点和参考系的概念搞定，接下来是时间和空间两个维度的物理量。
　　时间维度上我们引入两个概念，一个叫时刻，一个叫时间间隔，在生活中其实我们大部分时候是混为一谈的，不论是时刻还是时间间隔都可以笼统地叫“时间”，比如我问，我们什么时间下楼吃饭？吃饭大概要多长时间？实际上这里的第一个“时间”是时刻，而第二个“时间”是时间间隔。
　　时刻是一个瞬间，时刻没有长度，时刻这个概念的引入是为了给事件的发生排出先后顺序，比如t=1s发生的事件A要早于t=2s时发生的时间B。这里我说的“t=某s时”这种表述就是在描述一个时刻。
　　除了刚才那种表述，还有很多种方式可以描述时刻，比如“第1s初”或者“第1s末”，当然了“第1s末”同时也是“第2s初”，这是生活常识。
　　用来描述时间维度的那个箭头轴线叫时间轴，我们知道在数学概念上点是没有体积的，线是有长度但没有宽度的，现在时刻没有长度，因此时刻在时间轴上就体现为一个时间点而非线段。
　　至于时间间隔，大概看它的名字也能知道，它指的是一小段持续过程所对应的长度。因此时间间隔是两个时刻中间的部分，数学上两点相连构成一条线段，在时间轴上两个时刻中间的线段代表的就是一个时间间隔。
　　时间间隔具有长度，比如一个人睡了半小时，吃饭吃了十五分钟，这些都是时间间隔，在时间轴上，时间间隔的表述通常是“第1s”“前2s”“t=2s~t=5s”这样子。
　　物理量有一种分类方式是分为状态量和过程量，这两种概念的区别是前者描述瞬间状态，后者对应一段过程，时刻就是状态量，而时间间隔是过程量。

　　时间和空间的对应很有意思，时间维度上存在时刻和时间间隔，空间维度上也存在位置和位移。位置是一个状态量，在坐标轴或坐标系里仅仅是一个点，一个物体上一瞬间在A位置，下一瞬间可能已经在B位置了，物体的位置随时有可能发生改变，位置这个概念没有长度。
　　而位移描述了物体位置的变化或移动，它是两个位置点相连的线段。不过它跟时间间隔还不太一样，因为时间不会倒流，所以我们从来不会讨论时间流逝的方向，但是物体位置移动是存在方向的，一个人从北京到了上海，和从上海到了北京，由上海和北京构成的线段，两个端点一模一样，但这个人的移动方向完全相反，总不能说他的运动情况是相同的。
　　因此位移有方向。确切来讲，位移不仅仅是一条线段，它是一条带有方向的线段。位移是由初位置指向末位置的有向线段。

　　我们管这种既有大小又有方向的物理量叫做矢量。