运动学的描述范文

【关键词】高中物理运动的描述基本概念理解

1.引言

在高中物理新课程教学中，第一章是运动的描述，因为研究任何一种物理现象总是从现象的描述入手的，而要描述好物体的运动必须先建立好有关描述物体运动的物理量，包括质点、时间和位移、速度、加速度等概念。第一章运动的描述就是按照从质点到加速度的知识内容安排的。这几个基本概念是以后力学各章学习的基础，也是整个高中物理学习的基础。本文就运动的描述的几个基本概念作一简要的分析讨论，以帮助学生加深理解。

2.质点模型

对物体运动的研究是物理学产生和发展的源头之一，而物体的运动形式多样、复杂而又多变。例如：大到天体的运动、小到微观粒子的运动以及人体的运动、交通工具的运动等等。这些运动，真要准确描述起来将是十分困难的。就拿人体的运动走路来说，两只手在不断地前后摆动，两只替向前，脑袋有时向左，有时向右，两只眼睛还在不停地扫视周围的情况可见，要准确描述物体的运动并不是一件容易的事。因为任何物体都有一定的形状和大小（一般情况下，物体各部分的运动情况并不一样），但是如果可以忽略物体的形状和大小而把物体看成只有质量而没有形状和大小的点，我们不就可以很容易地描述物体的运动了吗？那这样做可不可以呢，教师不妨这样对学生设问一下：“早上八点从南京出发的汽车，于上午十一点到达苏州，请问是车头到了还是车尾巴到了苏州？”这样学生会在笑声中明白从这么长的距离上看，南京，苏州这两座城市都被看成了点，更别说一辆小小的汽车了。然后教师适时指出，看来在某些情况下，我们可以忽略物体的大小和形状，而突出“物体具有质量”这个要素，把它简化为一个有质量的点，这样的点称为质点，有的时候虽然我们不能忽略物体的大小和形状，但是可以用其上任意一点的运动来代替整个物体的运动，于是整个物体的运动也可以简化为一个点的运动，把物体的质量赋予这个点，它也就成了一个质点。

尽管质点不是实际存在的物体，但它是实际物体的一种近似，可以用它来代表真实的物体。所以质点是一种理想化的物理模型，它是为了研究问题的方便而进行的科学抽象。质点概念的提出，就是为了“量化”运动学中物体的位置和位移，没有“点”的概念，就不可能有“位置坐标”也就无法量化位移。把问题抽象成质点后，应该让学生注意质点与数学上所讲的几何点的区别。质点和几何点都不占空间体积，但在空间有位置。质点有质量，而几何点无质量。

3.路程和位移

任何物体总是运动的，将一个物体抽象成质点后，质点的位置如何变化是运动的一个核心问题。在初中物理中，物置的变化总是和轨迹联系起来的，物体运动轨迹的长度就是路程。轨迹越长，路程越大。在高中物理中，质点位置的变化是用一个新的物理量——位移来表示的，也就是用它来表示质点初、末位置的变化。位移的大小为起点到终点的直线距离，方向由起点指向终点。也就是这个新的物理量既有大小又有方向。所以只要质点的起点和终点确定了，位移的大小和方向便确定了，与运动路径无关。例如当物体从某一点A运动到另外一点B时，尽管可以沿不同的轨迹，走过不同的路程，但位置的变动是相同的，都是从A到达了B。

在讨论位移时，一定要留意方向，例如一个同学沿400米跑道跑了一圈，他的路程虽然为400米，但他的位移却为0，因为起点和终点重合了。就像现在的校园生活多姿多彩，很多同学都有很多不同的经历，但很多经历不代表人成长了，为什么呢？因为经历或许就像路程一样是一个标量，走了很长时间却没有前进，而成长或许是一个矢量，要有正确的方向是很重要的。

4.平均速度与瞬时速度

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物理教材关于平均速度和瞬时速度有四种不同的说法：

1、“当Δt0时，平均速度

V平均=Δr/Δt

的极限值叫做瞬时速度。”

2、“平均速度只能粗略地描述运动的快慢。为了使描述精确些，可以把Δt取得小一些。Δt越小，运动的描述就越精确。如果t非常非常小，就可以认为表示的是物体在t时刻的速度，这个速度叫做瞬时速度。”

3、“对于质点在任何相等时间内通过的位移不相等的运动（变速直线运动或曲线运动），怎样描写质点运动的快慢和方向呢？我们的处理方法是：粗略地描写是把它与效果相同的匀速直线运动进行对比，即用某一相同时间通过相同位移的匀速直线运动“代替”真实的变速运动，这样，速度仍可表示为位移与时间的比值，这时的速度叫做在这段时间（或这段位移）内的平均速度。

精确地描写是，把变速运动的整个过程分成许多无限小的小段，在每个小段里，可以近似地认为是匀速直线运动，这样，通过分小段的办法把“变”的看成许许多多“不变的”所组成。小段分得越小（当然，所用的时间Δt也越小），求出的速度就越接近这段时间内的实际情况。这样，取在时刻附近的时间间隔Δt为无限小，当Δt0时，的极限值，就能描写质点在该时刻t运动的快慢和方向，叫做瞬时速度……”。

4、“……在足够小的线段上，速度的变化是小得可以忽略不计，这就是说，可以认为速度是不变的。……为了阐明即时速度的意义，我们使用的方法是：我们想象地逐渐减小轨迹的线段和所进行的时间，直到已经不能区别线段和点，以及变速运动和匀速运动为止。”[19]

比较一下这四种说法，相同的是它们都认为瞬时速度是平均速度当Δt0时的极限。不同的是，说法2和说法3认为，小段运动的平均速度比大段的精确，最精确的是瞬时速度，而说法1并不这样认为。说法3和说法4还认为越是小段的变速运动越近似匀速。

其实，说法1是正确的，其他说法中不同于说法1的部分都是错误的。大家知道，同一物理量的一个测量值与真值或多次测量的平均值的差叫误差。误差越大的测量值越粗略，越小的越精确。同一物理量的多个测量值的功能和用途相同，可以互相取代，即精确的取代粗略的。功能不同的各种物理量之间没有谁更精确的问题。瞬时速度描述t时刻的运动，平均速度描述Δt时间段的运动，在不同的辖区各司其职，井水不犯河水，在各自的辖区内都是唯一的、无比的精确。它们各有各的功能和用途，比不同物理量的测量精度没有意义，比物理量本身就是开国际玩笑。我们的物理教材在这方面有严重失误。

阎老师说的粗略与精确的原意可能是指研究范围的大与小。把研究范围的大与小说成研究的粗略与精确，是偷换概念。如果把阎老师说的粗略改为总体，精确改为局部，就不会在中学物理里延伸出那么多的错误。

顺便指出，阎老师这段话里的“把变速运动的整个过程分成许多无限小的小段，在每个小段里，可以近似地认为是匀速直线运动，这样，通过分小段的办法把“变”的看成许许多多“不变的”所组成。”是错误的，我认为小段的变速不能近似匀速。因为，判别匀速还是变速的的标准是加速度a=或合外力是否为零，为零时匀速，不为零时变速，近似为零时近似匀速。运动段取得小，则分子Δv和分母Δt同步变小，其比值可以变或不变，取决于外力变或不变，而与运动段的大小无关。例如物体作自由落体运动时，在无论多么小的小段里，重力加速度和重力都不变，物体仍然变速。使变速运动近似匀速的唯一办法是使外力近似为零。

再看一例误人子弟的高中物理选择题及答案：

“下列关于平均速度和瞬时速度的说法正确的是（）

A．平均速度，当充分小时，该式可表示t时刻的瞬时速度

B．匀速直线运动的平均速度等于瞬时速度

C．瞬时速度和平均速度都可以精确描述变速运动

D．只有瞬时速度可以精确描述变速运动

答案（ABD）”

点评：答案ABC正确，答案D错误，分析如下：

运动学的描述范文篇3

关键词：UML；SystemC；建模；描述

中图分类号：TP311.1文献标识码：A文章编号：1007-9599(2011)08-0000-02

TheMethodUsingUMLandSystemCforSystem-levelModelingofEmbeddedSystem

ChenKe,DengFuyu

(SichuanVocationalandTechnicalCollege,Suining629000,China)

Abstract:ThispaperdesignsanUMLmodelofanembeddedsystemfruitcleanerwithUMLmodelingtoolRationalRose,thenmakesasystem-leveldescriptiontargetingthissystemwithexecutableSystemClanguageonthebasisofUMLmodelprototype.Thispaperalsoobtainsthefinaldescriptionresultofthefruitcleanersystem,andemulationresultbyrunning.

Keywords:UML;SystemC;Modeling;Description

一、引言

SystemC语言是一种理想的软/硬件协同设计语言，其描述得到的模型具有可执行性。目前为了实现对UML所描述的嵌入式系统进行模拟验证，采用合适的方法将UML模型转换成相应的SystemC描述是比较有效的途径，也是当前嵌入式系统软硬件协同设计领域研究的热点。

二、果蔬清洗机的系统级UML模型设计

从整体上看，一个果蔬清洗机（fruitcleaner）的系统结构主要包含有一个洗涤桶（tub）、一个引擎（engine）和一个臭氧发生器（generator）。

（一）清洗周期的定义

对于果蔬清洗机而言，从关闭清洗机的门进行系统初始化开始到清洗完毕排空洗涤桶的水并打开清洗机的门为止，整个过程被定义为一个完整的清洗周期。因此，该系统一个清洗周期由六个阶段构成。实际上，在对该系统进行初始化动作（Start）阶段时，就由清洗模式cleaningmode指定Fill，Generate，FeedClean和Discharge这五个阶段持续的时间。

（二）系统级UML模型图

该系统主要包含两个UseCase：清洗果蔬和设置清洗的模式。系统重点针对清洗果蔬

这个用例，分别画出其类图、顺序图、状态图和活动图。该系统包含有四个类：Tub、Engine、Generator和Fruitcleaner，每个类包含有相应的方法和属性。顺序图中有四个对应类的对象参与六个交互进程。图1显示的是fruitcleaner的类图。

图1.fruitcleaner的类图

三、用SystemC描述果蔬清洗机的系统级模型

UML是一种图形化的统一建模语言，用UML描述的嵌入式系统模型虽然有很强的可读性，但是却不可执行，即无法在系统级描述的基础上进行仿真，验证系统功能描述的准确性。在实际的嵌入式系统设计流程中，为了能对UML所描述的嵌入式系统进行功能模拟验证并得出有效结论，因此有必要再用SystemC进行嵌入式系统的系统级描述。鉴于在RationalRose软件中设计的UML用例图、类图、顺序图、状态图和活动图都能很直观地反映系统的执行功能，因此利用UML图形描述来作为后续SystemC描述所需的模型书面文档是行之有效的途径。这部分采用合适的方法把UML图中的元素与SystemC中的相关模块和进程对应起来，对直观的图形描述进行抽象，得到能执行的程序代码。此外，在系统功能模拟验证完成后，系统的软硬件划分、软硬件综合等设计流程都将通过SystemC完成。这样就把UML和应用于整个后期设计的SystemC紧密地联系起来了，在当前的嵌入式系统软硬件协同设计领域有其独到的作用。

四、描述结果

以Generator对象为例，给出SystemC下的部分描述代码结果：

SC_MODULE（Generator）

{sc_infcGenetratorOn_in；

sc_infcGenetratorOff_in；

voidon（）；

voidoff（）；

SC_CTOR（Generator）

{SC_METHOD（on）；

………………

………………

}

}；

voidGenerator：：on（）

{printf（“Switchonthegenerator.\n”）；

printf（“Waiting……\n”）；

}

voidGenerator：：off（）

{printf（“Switchoffthegenerator.\n”）；

}

五、模拟仿真运行结果

代码编写完成后，最后在SystemC2.2平台环境下试运行，通过调试、修改，得出模拟验证的仿真结果如图2所示：

图2.SystemC2.2平台仿真结果

通过以上运行结果可以看出，从系统准备就绪（ready），启动清洗周期（Startacleaningcycle）开始，到最后清洗周期结束，描述方法对系统模型运行连续性的影响得到了较好的体现。其中，几个Waiting语句的时间延迟也成功地反映了系统运行阶段的时间约束特性，嵌入式系统的实时响应特性与预期效果保持了大体一致，说明以UML图形化模型为蓝本写出的SystemC代码具有简洁、高效的特点。总的来说，该模拟仿真结果基本达到了预期效果，说明了以上的工作取得了初步成效。

参考文献：

[1]吴迪.嵌入式系统原理,设计与应用[M].北京;机械工业出版社,2005:45-66

[2]高焕堂.UML嵌入式设计[M].北京:清华大学出版社,2008:124-140

[3]陈咏恩.SystemC,一种软/硬件协同设计语言[J].电路与系统学报,2001,1

[4]陈燕,杜玄,彭澄廉.基于SystemC描述的嵌入式系统的自动化验证[J].同济大学学报(自然科学版),2004,8