Мгновенная скорость

Курс „Последовательности. Производная функции”

Автомобиль движется вдоль пути, изображенного на рисунке 3.13, начиная от точки О, от которой измеряется расстояние (начало отсчета) и затраченное на путь время. Функция, позволяющая в каждый момент времени t вычислить расстояние s, пройденное телом (автомобилем и т. п.) вдоль некоторого пути (линии) начиная от начальной точки О, называется законом движения[понятие: Закон движения (liikumisseadus) – функция, выражающая расстояние 𝑠 от движущейся точки до начала отсчета (некоторой точки 𝑂) в любой момент времени 𝑡.] тела (или точки).

Рис. 3.13

Пусть закон движения автомобиля на рисунке 3.13 выражается функцией s=f(t). Рассмотрим движение тела с момента времени t до момента t+\Delta t, т. е. в промежутке длиной \Delta t.

Поскольку пройденные к этим моментам пути соответственно f(t) и f(t+Δt), то в рассматриваемом промежутке времени тело пройдет путь длиной

AB=\Delta s=f\left(t+\Delta t\right)-f\left(t\right).

Соответствующая средняя скорость[понятие: Средняя скорость (keskmine kiirus) – отношение Δ𝑠 :Δ𝑡. Соответствует промежутку между 𝑡 и 𝑡 + Δ𝑡.] в промежутке времени [tt + ∆t] (или на отрезке АВ) была

v_{ср}=\frac{\Delta s}{\Delta t}=\frac{f\left(t+\Delta t\right)-f\left(t\right)}{\Delta t}.

Найдем теперь, какова была скорость движения объекта в точке А, т. е. в момент времени t. Эта скорость называется мгновенной скоростью[понятие: Мгновенная скорость (hetkkiirus) – предел средней скорости движения когда приращение аргумента (времени) стремится к нулю.] и обозначается v. Она характеризуется средней скоростью vср тем точнее, чем меньше ∆s или, другими словами, чем короче длина ∆t промежутка времени. Следовательно,

если \Delta t\to0, то \frac{\Delta s}{\Delta t}\to v, или v_{ср}\to v.

Так как закон движения является функцией s=f(t), то можно сказать, что мгновенная скорость v есть величина, к которой неограниченно приближается отношение приращения \Delta s длины пути к приращению времени \Delta t, когда приращение времени стремится к нулю. Сказанное можно записать в виде

v=limΔt0vср, или v=limΔt0ΔsΔt.

Пример.

Убедимся, что в случае закона свободного падения s=\frac{gt^2}{2} данное определение приводит к известному из курса физики результату.

Если s=\frac{gt^2}{2}, то (пример 6 раздела 3.2.3) мы уже получили, что v_{ср}=0,5g\left(2t+\Delta t\right).

Тогда по определению мгновенной скорости получим, что если \Delta t\to0, то v_{ср}=0,5g\left(2t+\Delta t\right)\to gt, или

v=limΔt0ΔsΔt = limΔt0g22t+Δt\frac{g}{2}\cdot2tgt.

Найденное соотношение v=gt является известной из курса физики формулой мгновенной скорости в случае свободного падения.

Упражнения

s = 2t2 + t + 1, t1 = 2, t2 = 3,5, t3 = 5.

Ответ: формула мгновенной скорость: v. (t1), (t2), (t3)

s = 0,4t2, t1 = 0, t2 = 3, t3 = 8, t4 = 8,5, t5 = 10.

Ответ: формула мгновенной скорости: v. v (t1), v (t2), v (t3), v (t4), v (t5)