一维运动 · 积分重建

只知道加速度,能找回运动吗?

能找回曲线的形状,却不能凭空找回起点。给同一个 a(t) 配上两套初始条件,看看甲、乙会怎样走出不同的运动。

a(t)加速度输入
v(t)速度重建
x(t)位置重建

v(t) = v₀ + a₀t + (b/2)t²

x(t) = x₀ + v₀t + (a₀/2)t² + (b/6)t³

共同输入:a(t) = a₀ + bt,定义域 0 ≤ t ≤ 6 s。a₀ 的单位是 m/s²,b 的单位是 m/s³。

重建参数 拖动滑块,三张图同步更新

共同的加速度函数
a(t) = 0.60 − 0.25t

甲初始条件

乙初始条件

4.2 s

同一条数轴上的即时位置a = −0.45 m/s²

−10 m 10 m
甲x = 0.00 mv = 0.00 m/s
乙x = 0.00 mv = 0.00 m/s

把积分结果摊开来看

甲:蓝色实线与圆点乙:红色虚线与方点

位置—时间图

x₀ 决定从哪里出发,v₀ 也会继续影响位置。

甲乙质点的位置时间曲线 横轴为时间,纵轴为位置,橙色竖线标出当前观察时刻。

速度—时间图

同一 a(t) 决定同样的斜率变化,v₀ 决定整条曲线的竖直位置。

甲乙质点的速度时间曲线 横轴为时间,纵轴为速度,实线和虚线对应不同初始速度。

加速度—时间图

这里只有一条共同曲线:甲、乙的 a(t) 始终完全重合。

甲乙质点共同的加速度时间曲线 横轴为时间,纵轴为加速度,两质点的曲线完全相同。

先预测,再让公式作证

积分不是“倒放求导”那么简单:求导会把常量抹掉,所以反过来积分时,必须用初始条件把这些信息补回来。

预测一:只把出发位置错开

甲乙使用同一 a(t)、同一 v₀,但 x₀ 不同。两条速度曲线是否相同?

预测二:只把初速度错开

甲乙使用同一 a(t),但 v₀ 不同。速度差 v乙(t) − v甲(t) 会怎样?

真正的重建规则:由 a(t) 积分只能得到速度的“变化部分”,还要补上 v₀;再积分只能得到位置的“变化部分”,还要补上 x₀。同一加速度描述的是同样的速度变化率,不是同一段运动。