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速率

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速率
汽車行駛一段路程除以所需時間為它的平均速率。
常見符號
v
國際單位m/s, m s−1
因次

速率(英語:Speed)是物理學中的一個基本概念,是指物體在單位時間內經過的路程,用來表示物體運動的快慢程度。

在日常生活中,「速率」和「速度」(Velocity)混用,但兩者在物理學中對應着不同的概念:速率是一個純量(只有大小、沒有方向),它的因次是路程除以時間;速度是一個向量(有方向),它的因次是位移除以時間[1]。物體的瞬時速率等於瞬時速度的大小,而平均速率則不一定等於平均速度的大小。

國際單位制中,速率的單位為米每秒(m/s),但日常生活中較常用的單位是公里每小時(km/h)或是英制系統下的哩每小時(mph)。海上船隻或物體的行進速率,一般會使用作為單位。

依照狹義相對論,能量或資訊所能傳遞的最快速率為真空中的光速c = 299,792,458 米每秒,大約是1,080,000,000公里每小時或671,000,000哩每小時。靜止質量不為零的物質要加速到此速率,需要無限大的能量。在相對論物理學中,會用快度來取代經典力學中的速度[2]

定義

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用數學語言來描述,如果一個物體在一段時間內移動的路程為,那麼它的平均速率(用表示)便是的比,具體可由下式給出:

例如,一輛汽車在2小時內行駛了60公里,它在這段時間內的平均速率是30公里每小時。而一個物體在某個時刻的速率,則是它在這個時刻前後的一段極短時間中經過的路程與這段時間長度的比:

精確地說,假設路程是一個關於時間的函數,那麼物體在某個時刻瞬時速率,是以上比值在趨向於0時的極限值。或者說,是時刻對時間的導數

在某些簡化的物理模型中,物體在某個時刻之前的速率可能不等於其之後的速率

比如簡單的碰撞模型中的碰撞前速率和碰撞後速率。但在經典物理學中,總假設物體的路程,以及瞬時速度和瞬時速率都是連續變化的。簡化模型中出現不連續的速率是忽略了極短時間內速率變化的結果。

物體的瞬時速率等於其瞬時速度的大小。然而,物體的平均速率一般不等於其平均速度的大小[3]。蓋因路程和位移的概念不同。例如一個物體作等速率圓周運動一周,則其平均速率為一個不為零的定值,但其平均速度是0。

例子

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瞬時速率

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車輛上的速度表可以顯示任何時刻的瞬時速率[4]p.42。瞬時速率可能會隨時間而變動,一輛車在某個時刻的瞬時速率50公里/小時,但它維持此速率的時間可以是一秒、一分鐘或一小時。不過假若此車連續一小時以50公里/小時的(瞬時)速率行駛,則它所走路程為50公里。

平均速率

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如果一輛車在一小時內行駛了80公里,則它在這一個小時中的平均速率為80公里/小時;若一輛車在第一個小時內行駛了140公里,在接下來的三個小時中行駛了180公里,則它在這四小時內的平均速率也是80公里/小時。但若分別考慮此車第一個小時以及其後三個小時內的平均速率,其數值就不是80公里/小時了。

平均速率可能會和過程中的瞬時速率有相當的差異[4]p.42。若已知平均速率和時間,可以求得這段時間所走的路程:

依上述公式可得,若一輛車行駛了四小時,這四小時的平均速率為80公里/小時,則它在四個小時中行駛的總路程為320公里。

若以圖像的方式,可以利用路程-時間圖來顯示速率。路程-時間圖上的曲線表示了物體移動的路程是如何隨時間變化的。曲線上任意一點對應着一個時刻和物體在這一時刻移動的路程。曲線在一點上切線斜率即為此時刻的瞬時速率,而曲線上兩點的割線斜率即為對應的二個時刻之間的平均速率。

切線速率

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物體在單位時間內經歷的路程,是為速率或線速率,而如果物體在做圓周運動,那麼它的速率也稱為切線速率[4]p.131,因為它運動的方向是沿着圓周的切線方向。旋轉木馬轉一圈時,位置靠外的木馬走過的路程比位置靠內的木馬要多。這說明位置靠外的木馬平均速率比位置靠內的木馬要大。 對於圓周運動的物體而言,切線速率及線速率二者可互換使用,二者的單位均為m/s或km/h。

轉速或角速率是指單位時間內轉的圈數。旋轉木馬中,不同位置的木馬切線速率可能不同,但所有木馬在相同時間內都旋轉了相同的圈數,因此其角速率均相同。轉速一般以每分鐘轉速或是以單位時間的弧度作為單位。旋轉一圈的弧度略大於6個弧度(精確值為弧度)。若將角速率加上方向,則成為角速度,前者為一純量,後者則為一向量。若兩片CD每秒都旋轉20圈,一片順時針旋轉,另一片逆時針旋轉,那麼二者的角速率相同,但角速度不同。

圓周運動的物體(或距旋轉軸固定距離的一點),其切線速率和轉速成正比[4]p.131。不過切線速率和轉速不同,一點的切線速率和距旋轉軸的距離有關,距旋轉軸不同距離的二點,其轉速相等,但切線速率不相等。旋轉軸上的點,其切線速率甚至為零。在一旋轉的物體上,離旋轉軸越遠,會發現線速率越快。若轉速固定,則切線速率和一點距旋轉軸的距離成正比[4]p.132,因此可得下式:

其中

v為切線速率
ω為轉速
r為距旋轉軸的距離

因此只要轉速變快或是距旋轉軸的距離變長,都會使切線速度變快。

若切線速率、轉速及距離選擇適當的單位(例如切線速率單位選擇m/s,轉速單位選擇弧度/s,距離單位選擇m),上式的比例關係可以變成以下的等式:

因此,一個系統只要所有部份的角速度相同,其切線速度只和距旋轉軸的距離有關。(上述切線速度和距離的比例關係不適用於行星的運轉,因為行星在不同位置的角速度不同)

單位

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速率的單位包括:

速率各單位間重要的換算關係包括:

常見速率單位之間的轉換
m/s km/h mph ft/s
1 m/s = 1 3.6 2.236936 1.943844 3.280840
1 km/h = 0.277778 1 0.621371 0.539957 0.911344
1 mph = 0.44704 1.609344 1 0.868976 1.466667
1 節 = 0.514444 1.852 1.150779 1 1.687810
1 ft/s = 0.3048 1.09728 0.681818 0.592484 1

粗體字的數值是精確值)

不同速率的例子

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速率 m/s ft/s km/h mph 註解
大陸飄移的平均速率 0.00000001 0.00000003 0.00000004 0.00000002 4厘米/年,速率依位置而異
普通蝸牛的速率 0.001 0.003 0.004 0.002 1毫米每秒
輕快地步行 1.7 5.5 6 4
奧林匹克短跑選手(100米內的平均速率) 10 32.8 36 22
大部份郊區道路的速限 13.8 45.3 50 30
台北101觀光電梯 16.7 54.8 60.6 37.6 1,010 m/min[5]
香港巴士的最高運行速率 20 65.6 72 44.7
一般鄉間道路的速限 24.6 80.66 88.5 56
薩菲爾-辛普森颶風等級的一級颶風 33 108 119 74 一分鐘平均風速需大於此數值
法國高速公路限速 36.1 118 130[6] 81
人力驅動的最快速度 37.02 121.5 133.2 82.8 加拿大自行車手Sam Whittingham利用斜躺腳踏車英語recumbent bicycle創下的記錄[7]
漆彈槍的槍口初速 90 295 320 200
波音747-8巡航速率 255 836 917 570 0.85馬赫
陸上速度記錄 341.1 1119.1 1227.98 763 超音速推進號在1997年10月15日創下[8]
在海平面大氣壓、20°C(293開爾文)的乾燥空氣中的聲速 343 1,125 1,235 768 由定義=1馬赫
AK-47突擊步槍槍口初速 710 2,330 2,600 1600
正式的飛行速度記錄 980 3,215 3,530 2,194 SR-71黑鳥式偵察機在1976年7月28日創下[9]
穿梭機返回地球時的速率 7,800 25,600 28,000 17,500
相對於地球的逃逸速度 11,200 36,700 40,000 25,000 地表的逃逸速度為11.2 km/s[10]
地球的平均公轉速率 29,783 97,713 107,218 66,623
真空中的光速(符號c 299,792,458 983,571,056 1,079,252,848 670,616,629

參見

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參考資料

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  1. ^ 速度、速率及加速度. 台灣師範大學物理系. [2013-10-12]. (原始內容存檔於2021-05-05). 
  2. ^ Rapidity and invariant cross sections - Phenix - Brookhaven National (PDF). [2013-10-12]. (原始內容 (PDF)存檔於2021-04-04). 
  3. ^ 平均速度. 台灣長庚大學. 2005-07-28 [2013-10-12]. (原始內容存檔於2013-10-15). 
  4. ^ 4.0 4.1 4.2 4.3 4.4 Paul G. Hewitt. Conceptual Physics. Pearson Addison Wesley. 2006. ISBN 0805393757. 
  5. ^ 中国电梯行业大事简记. 上海勒邦電梯. 2009-05-19 [2013-10-12]. (原始內容存檔於2013-10-14). 
  6. ^ 法国开车初体验. 旭途旅遊. [2013-10-12]. (原始內容存檔於2021-04-04). 
  7. ^ The Recumbent Bicycle and Human Powered Vehicle Information Center. Wisil.recumbents.com. [2013-10-12]. (原始內容存檔於2013-08-11). 
  8. ^ Thrust SSC Run database, [2013-10-12], (原始內容存檔於2020-02-16) 
  9. ^ 大陸新聞中心. 軍武/「黑鳥」如影隨形 比子彈還快的飛機報你知. 明日報 (今日傳媒公司). 2013-02-02 [2013-10-12]. (原始內容存檔於2020-02-16). 
  10. ^ 宇宙航行. Rc.k12.com.cn. [2013-10-12]. (原始內容存檔於2021-04-04). 

外部連結

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