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第二章 四百米的零/高中物理/运动的描述/位移
第二天的训练课在下午四点。
苏秒到操场的时候,孟昭已经站在跑道边了。他旁边放着一个纸箱,从里面掏出五个黑色的小盒子——运动GPS手环,每个手腕大小,屏幕上有个小指示灯在闪。
"今天跑四百米,"孟昭把一个一个手环递给他们,"戴在手腕上,按一下侧面的按钮启动。跑完之后我读数据。"
苏秒接过手环扣在左手腕上,表带有点紧,勒出一道红印。方弧在旁边摆弄了半天,才把按钮按下去。
"亮绿灯了,"陶铁低声说。他是第一个启动好的。
"四百米,标准跑道一圈,"孟昭站在跑道内侧,指了指第一道的起点线,"全力跑。不需要留力,但也不要一开始就冲刺——你们是练专项的,自己知道怎么分配体力。"
苏秒看了看跑道。四百米——标准跑道的一整圈。他在短跑组,四百米不是他的主项,但体能训练里跑过不少。
"一起跑?"方弧问。
"一起。"
五个人在起点线后面站成一排。苏秒习惯性地做了几个原地高抬腿热身,旁边的凌越在做弓步压腿。陶铁什么都不做,只是站着,两手自然垂在身侧。
"预备——跑。"
这次孟昭依然没有用发令枪。苏秒已经习惯了——他大概觉得发令枪对训练没什么额外意义。
第一圈。
苏秒的前两百米跑得不快不慢,他习惯用前一百米找节奏。弯道的时候身体自然内倾,脚底碾过弯道的弧度,有一种被离心力往外甩的感觉。
直道。方弧从他外侧超了过去,步伐轻盈得像在跳舞。篮球运动员跑弯道有一种独特的方式——重心压得很低,几乎是在"漂移"。
苏秒进入后半圈时开始加速。三百米处,他已经能感觉到腿部肌肉开始发酸。最后直道冲刺,他咬着牙往前顶,冲过起点线——也就是终点线——的时候,低头看了一眼手环。
一分零八秒。不算快。
其他四个人陆续跑完。方弧最快,一分零二秒。陶铁一分十五秒。凌越一分十一秒。何流一分十四秒。
孟昭等所有人都缓过来,把五个人的手环收集到一起,连上自己的笔记本电脑。屏幕上弹出一串数据——每百米的分段用时、平均速度、总距离、总时间。
"数据出来了,"孟昭把电脑屏幕转过来让他们看,"每人都跑了四百米,GPS确认。有没有问题?"
"没问题啊。"苏秒擦了一把汗。
孟昭看了他一眼:"那我问你们——你们跑完这一圈,位移是多少?"
安静了两秒。
"四百米啊。"苏秒脱口而出,"GPS都说了,距离四百米。"
"我也觉得是四百米。"方弧说。
孟昭没说话。他弯腰捡起一块石子,在跑道边的水泥地面上画了一个圆。圆的起点和终点用两条线标出来——它们重合在同一个点上。
"你们从这里出发,"他点了点那个重合点,"沿跑道跑了一圈,又回到这里。"
他在那个点上画了一个箭头,从起点出发绕了一圈回到自身。
"位移,是从初位置指向末位置的有向线段。"他在箭头旁边写了两个字:位移。
"你们的初位置是哪里?"
"起点。"凌越答。
"末位置呢?"
凌越顿了一下:"也是起点。"
"那位移是?"
这次没人说话。
孟昭自己回答了:"零。"
苏秒瞪大了眼睛:"什么?"
"你们跑了四百米,回到原点。起点和终点是同一个位置。位移——从起点到终点的直线距离——是零。"
"可是我明明跑了四百米!"苏秒站起来,感觉有点荒谬,"我腿都酸了,你告诉我我没动?"
方弧也皱起眉头:"这不对吧?我们确确实实跑了四百米啊。"
"你们跑的路径长度是四百米。这在物理学里叫'路程'。"孟昭在圆的旁边写了另一个词:路程。
"路程是运动轨迹的长度。你们跑了一圈,轨迹长度四百米,所以路程是四百米。位移是从起点到终点的直线距离和方向。起点和终点重合,所以位移是零。"
"一个数字就能说清楚的事,为什么要两个概念?"苏秒不太服气。
"因为它们描述的东西不一样。"孟昭说,"路程告诉你'你走了多远'。位移告诉你'你离起点有多远,在哪个方向'。"
他看了看五个人,继续说:"举个简单的例子。你从宿舍走到教室,一百米。然后从教室走回宿舍。路程是两百米。位移是零。你走了两百米,但你并没有'离开'宿舍。"
"听起来像是文字游戏。"方弧嘟囔。
"不是文字游戏。"何流忽然说话了,他的声音不大,但所有人都在看他,"因为如果是长跑训练,教练关心的是你跑了多远——路程。但如果是定向越野,教练关心的是你从起点到了哪里——位移。"
孟昭看了何流一眼,点头:"就是这个意思。不同的问题需要不同的描述方式。路程是标量——只有大小没有方向。位移是矢量——既有大小又有方向。"
陶铁一直沉默着。这时他开口了:"跑半圈呢?"
所有人看向他。
"如果只跑半圈,"陶铁说,声音很低,"路程两百米。位移是多少?"
孟昭露出这一天的第一个笑容。他在半圆上画了一条直线——从起点连到对面。
"标准跑道一圈四百米,半圈两百米。半圆的直径——"他在旁边快速算了一下,"标准跑道弯道半径约三十六米半,直径大约七十三米。不对,让我算准确一点——"
他从笔记本上调出跑道数据:"四百米标准跑道,弯道半径三十六米,直道长八十四米多一点。一圈总长 = 两条直道 + 两个弯道 = 2×84.39 + 2π×36 ≈ 168.78 + 226.19 ≈ 395,加上一些修正值,国际田联定为四百米。"
"如果从起点跑半圈到对面,"他在图上画了一条线,"路程是两百米。位移是从起点到对面的直线距离。直道长度加一个弯道的弦长……大约是八十四加三十六乘以二……"他算了一下,"大概一百五六十米的样子,方向从起点指向对面。"
"所以路程两百米,位移大约一百五六十米。"凌越总结。
"对。跑半圈,路程和位移就不一样了。只有跑直线的时候,两者才相等。"
苏秒低头看着地上那个圆,沉默了好一会儿。
"所以我以后看GPS数据,不能只看距离。"他慢慢说。
"对。GPS给你的是路程。如果你想知道自己相对起点的位置,你需要的是位移。"
方弧忽然来了兴趣:"那我打篮球呢?我运球从三分线跑到篮下再跑回三分线,位移也是零?"
"是零。"
"但我累得要死!"
"路程不是零。你跑的距离是真实的,消耗的能量是真实的。只是你的位置没变。"
方弧想了想:"所以教练说'全场折返跑'练体能,练的是路程?"
"对。折返跑就是靠大量的路程来积累体能消耗。"
凌越忽然开口:"跳高也是——我跳起来了,但起跳和落地差不多在同一个点。所以我的位移也很小?"
"不只是小。"孟昭说,"如果你精确测量——起跳点和落地点之间的距离大概只有几十厘米。和你跳的高度比起来,水平位移非常小。"
"那我练跳高,位移和路程哪个重要?"
"都不是。"孟昭说,"跳高最关键的物理量,你们以后会学到。不是距离,是高度。"
凌越没再追问,但他明显在思考。
孟昭看了看时间,又调出了另一个数据界面。
"接下来讲另一个东西。"他指着屏幕上的分段数据,"GPS记录了你们每跑一百米的用时。方弧的:第一个一百米十四秒,第二个十二秒,第三个十三秒,第四个十五秒。"
"十四秒——这个数字表示什么?"他看着他们。
"就是第一个一百米用了十四秒啊。"苏秒说。
"我问的不是'十四秒'。我问的是——'十四秒处'和'从第十四秒到第二十六秒',有什么区别?"
方弧愣了一下。
"十四秒处,是时间轴上的一个点。"何流说,"从第十四秒到第二十六秒,是两个点之间的一段。"
"在物理学里,时间轴上的一个点叫做'时刻',两个时刻之间的间隔叫做'时间间隔'。"孟昭在屏幕上画了一条时间轴,标出几个点。
"你说的'十四秒处'——这是时刻。它表示一个瞬间。你说的'从十四秒到二十六秒,经过了十二秒'——这是时间间隔。它表示一段过程。"
"这不就是'几点钟'和'多长时间'的区别吗?"方弧说。
"对。'三点半上课'——时刻。'一节课四十五分钟'——时间间隔。GPS记录你在第十四秒这一刻经过了第一个一百米处,然后从第十四秒到第二十六秒这一个时间间隔里跑完了第二个一百米。"
陶铁忽然问了一个问题:"那'现在'是什么?"
所有人看向他。这是陶铁今天说的最长的一句话之外的又一个问题。
"'现在'是时刻,"孟昭回答,"但'现在'持续多久?一秒?零点一秒?这取决于你定义的精度。物理学里,时刻没有长度——它是一个点。时间间隔有长度——它是两个点之间的距离。"
陶铁点了点头,没再说话。但苏秒注意到他嘴角微微动了一下——像是在想什么。
太阳已经快落到教学楼后面了。跑道上的人开始多起来——其他班级的课外活动时间到了。
孟昭合上笔记本电脑。
"今天的内容总结:路程和位移是描述运动的两种不同方式。时刻和时间间隔是描述时间的两种不同方式。它们不是互相替代的关系——是不同的问题需要不同的工具。"
他站起来,拍了拍裤子上的灰。
"回去想一个问题:你们的专项里,什么时候用路程描述更好?什么时候用位移描述更好?"
苏秒把摘下来的手环递给孟昭,犹豫了一下问:"孟老师,位移和路程——都有用?那什么时候用哪个?"
孟昭接过手环,回头看了他一眼。
"问得好。"他说,"明天测完你们就知道了。"
他把五个手环放进纸箱,夹在胳膊下面,朝器材室走去。
方弧等孟昭走远了,凑过来拍苏秒的肩膀:"你发现没,这个孟老师每节课都不让我们好好跑步,但每节课结束你都觉得——好像学到了点什么。"
苏秒没说话。
他在想一个问题:如果他跑四百米的位移是零——那他每天在跑道上一圈又一圈地跑,到底是在"移动"还是在"原地踏步"?
然后他想通了:不是原地踏步。每跑一圈,他的身体都在经历某种变化——肌肉在适应、心肺在强化、节奏在优化。路程不是白跑的。
只是他以前从来没想过——"跑了多远"和"到了哪里"是两回事。
凌越走过来,轻声说:"你说,跳高的位移到底该怎么算?起跳到最高点,再从最高点落到垫子上……"
"你回去算。"何流说,"用今天学的。"
五个人往教学楼方向走。夕阳把他们的影子拉得很长,五条影子在地面上拖出不同的角度。
苏秒走在最后面,脑子里还在想那个圆。
起点和终点重合。位移为零。但他知道——他确实跑过了四百米。每一步都算数。
本章知识点
时刻与时间间隔:时刻是时间轴上的一个点,表示某个瞬间(如"第3秒末");时间间隔是两个时刻之间的一段,表示一个过程持续了多久(如"从第3秒到第5秒,经过了2秒")。
路程与位移:路程是物体运动轨迹的长度,只有大小没有方向,是标量;位移是从初位置指向末位置的有向线段,既有大小又有方向,是矢量。当物体做直线运动且不改变方向时,路程等于位移的大小;其他情况下,路程大于位移的大小。