Фізичний зміст похідної: миттєва швидкість
~10 хв · 8 розділів · 9 тестових запитань
Похідна закону руху — це миттєва швидкість, а похідна швидкості — прискорення. Розглядаємо, як знаходити швидкість і прискорення в заданий момент, момент зупинки тіла та швидкість зміни будь-якої величини (заряду, температури, обʼєму).
У фізиці рух тіла описують законом руху — функцією s(t), яка задає координату (шлях) тіла в момент часу t. Якщо ви знаєте, де перебувало тіло в кожну мить, можете визначити, як швидко воно рухалося. Але є два різні способи це зробити: середня швидкість і миттєва швидкість.
Середня швидкість на проміжку
Нехай тіло рухається за законом s(t). Розглянемо проміжок часу від t₀ до t₀ + Δt, де Δt — додатний приріст часу. За цей час тіло перемістилося на Δs = s(t₀ + Δt) − s(t₀). Середня швидкість на цьому проміжку дорівнює відношенню переміщення до часу:
Середня швидкість — це наближена характеристика: вона не враховує, що всередині проміжку тіло могло прискорюватися чи сповільнюватися.
Миттєва швидкість — границя середньої
Щоб дізнатися швидкість тіла в конкретний момент t₀, треба брати дедалі менші проміжки часу Δt і дивитися, до якого числа наближається середня швидкість. Математично це границя:
А це ж означення похідної! Отже, миттєва швидкість тіла в момент t₀ дорівнює значенню похідної закону руху в цій точці:
Фізичний зміст похідної: похідна функції s(t) у точці t₀ — це миттєва швидкість зміни координати, тобто швидкість руху тіла в момент t₀.
Позначають: v(t) = s′(t).
Числовий приклад
Нехай тіло рухається за законом s(t) = t² (координата в метрах, час у секундах).
Середня швидкість на проміжку [2; 4]: s(4) = 16 м, s(2) = 4 м, Δs = 12 м, Δt = 2 с ⇒ v_сер = 12 / 2 = 6 м/с
Миттєва швидкість у момент t = 2: v(2) = s′(2) = 2·2 = 4 м/с
Миттєва швидкість у момент t = 4: v(4) = 2·4 = 8 м/с
Бачимо: середня швидкість 6 м/с лежить між миттєвими 4 м/с і 8 м/с — це логічно, адже тіло розганялося.
Одиниці вимірювання
Одиниці швидкості визначаються одиницями координати й часу:
Координата | Час | Швидкість | Прискорення |
|---|---|---|---|
м | с | м/с | м/с² |
км | год | км/год | км/год² |
см | с | см/с | см/с² |
Завжди звертай увагу, в яких одиницях подано закон руху, і відповідь давай у відповідних одиницях.
Ти вже знаєш, що миттєва швидкість — це похідна закону руху: v(t) = s′(t). Але рух може бути нерівномірним — швидкість сама змінюється з часом. Як описати цю зміну?
Прискорення — похідна швидкості
Прискорення a(t) — це швидкість зміни швидкості. Оскільки похідна функції описує швидкість її зміни, то прискорення дорівнює похідній від швидкості:
Тобто прискорення — це друга похідна закону руху.
Повний приклад
Нехай тіло рухається за законом s(t) = t³ − 3t (s у метрах, t у секундах).
Швидкість: v(t) = s′(t) = 3t² − 3
Прискорення: a(t) = v′(t) = 6t
Швидкість у момент t = 2: v(2) = 3·4 − 3 = 9 м/с
Прискорення в момент t = 2: a(2) = 6·2 = 12 м/с²
Координата в момент t = 2: s(2) = 8 − 6 = 2 м — це положення тіла, а не його швидкість! Не плутай.
Момент зупинки тіла
Тіло зупиняється в ті моменти, коли його миттєва швидкість дорівнює нулю. Для закону s(t) = t³ − 3t:
Час не може бути від'ємним, тому відкидаємо t = −1. Відповідь: тіло зупиниться в момент t = 1 с.
Після зупинки тіло може змінити напрям руху. Тіло рухається в додатному напрямі осі, коли v(t) > 0, і в від'ємному, коли v(t) < 0. Зміна знака v(t) означає зміну напряму.
Момент із заданою швидкістю
Іноді потрібно знайти момент, коли швидкість дорівнює певному числу. Розв'яжи рівняння v(t) = задане число.
Приклад: тіло рухається за законом s(t) = 2t² − 5t + 3. Знайди момент, коли його швидкість дорівнює 7 м/с.
Відповідь: t = 3 с.
Рівноприскорений рух
Окремий випадок — рівноприскорений рух, коли прискорення стале. Його закон руху має вигляд:
Тут s₀ — початкова координата, v₀ — початкова швидкість, a — стале прискорення. Похідна дає:
Важливо: якщо закон руху має вигляд s(t) = 5 + 3t, то s′(t) = 3, а не 5. Сталий доданок s₀ = 5 — це початкова координата, а не швидкість.
Приклад: кидок угору
Тіло кинули вертикально вгору з початковою швидкістю 20 м/с. Висота над землею змінюється за законом h(t) = 20t − 5t² (h у метрах, t у секундах).
Знайдемо, через скільки секунд тіло досягне найвищої точки:
Висота в найвищій точці: h(2) = 20·2 − 5·4 = 40 − 20 = 20 м.
Фізичний зміст похідної не обмежується лише механічним рухом. Будь-яка величина Q(t), що змінюється з часом, має свою швидкість зміни — і ця швидкість дорівнює похідній Q′(t).
Похідна величини за часом — це швидкість її зміни. Одиниця вимірювання: одиниця величини, поділена на одиницю часу.
Приклад: сила струму
Сила струму I — це швидкість зміни заряду q, що проходить через поперечний переріз провідника:
Нехай заряд змінюється за законом q(t) = 3t² + t (Кл), де t — час у секундах. Тоді:
Сила струму в момент t = 2 с: I(2) = 6·2 + 1 = 13 А.
Приклад: швидкість зміни температури
Температура тіла змінюється за законом T(t) = 20 + 0{,}5t² (°C), де t — час у хвилинах. Знайдемо, як швидко змінюється температура в момент t = 4 хв:
Відповідь: температура зростає зі швидкістю 4 °C/хв.
Знак похідної: зростання чи спадання
Знак похідної Q′(t) показує, зростає чи спадає величина:
Якщо Q′(t) > 0 — величина зростає з часом.
Якщо Q′(t) < 0 — величина зменшується з часом.
Приклад: з бака витікає вода, об'єм води змінюється за законом V(t) = 200 − 4t (л), де t — час у хвилинах. Тоді V′(t) = −4 л/хв. Від'ємне значення означає, що об'єм води зменшується, тобто вода витікає зі швидкістю 4 л/хв.
Зворотна задача: від швидкості до закону руху
Якщо відома швидкість v(t), то закон руху s(t) можна відновити як первісну від швидкості. Наприклад, v(t) = 2t. Тоді:
Сталу C знаходять із початкової умови: якщо s(0) = 1 м, то 1 = 0 + C ⇒ C = 1, отже s(t) = t² + 1. Докладно обчислення первісних розглянуто в окремому розділі курсу.
Розв'яжемо кілька типових задач на фізичний зміст похідної, які можуть трапитися на НМТ.
Приклад 1. Швидкість у заданий момент
Тіло рухається прямолінійно за законом s(t) = t³ − 4t² + 5t (s — у метрах, t — у секундах). Знайдіть швидкість тіла (у м/с) у момент t = 3 с.
Розв'язання:
Крок 1. Знаходимо похідну закону руху — миттєву швидкість: v(t) = s′(t) = 3t² − 8t + 5
Крок 2. Підставляємо t = 3: v(3) = 3·9 − 8·3 + 5 = 27 − 24 + 5 = 8
Відповідь: 8.
Типова пастка: якщо підставити t = 3 в закон руху s(3) = 27 − 36 + 15 = 6, отримаєш 6 — це координата тіла, а не швидкість. Не плутай!
Приклад 2. Прискорення в заданий момент
Точка рухається за законом s(t) = 2t³ − 3t² + 4 (м). Знайдіть її прискорення (у м/с²) у момент t = 2 с.
Розв'язання:
Крок 1. Знаходимо швидкість: v(t) = s′(t) = 6t² − 6t
Крок 2. Знаходимо прискорення як похідну від швидкості: a(t) = v′(t) = 12t − 6
Крок 3. Підставляємо t = 2: a(2) = 12·2 − 6 = 24 − 6 = 18
Відповідь: 18.
Чому інші варіанти хибні: 12 — це значення швидкості, а не прискорення; 8 — координата; 24 — забули відняти 6; 30 — помилка в знаку.
Приклад 3. Момент зупинки
Тіло рухається за законом s(t) = t³ − 12t + 1 (s — у метрах, t — у секундах). У який момент часу (у секундах) воно зупиниться?
Розв'язання:
Крок 1. Знаходимо швидкість: v(t) = s′(t) = 3t² − 12
Крок 2. Прирівнюємо до нуля: 3t² − 12 = 0 ⇒ t² = 4 ⇒ t = 2 або t = −2
Крок 3. Час не може бути від'ємним, тому t = −2 відкидаємо.
Відповідь: 2.
Пастка: не можна давати відповідь «−2 і 2» — момент часу t ≥ 0 за змістом задачі.
Приклад 4. Швидкість зміни заряду
Заряд, що пройшов провідником, змінюється за законом q(t) = t³ + 2t (Кл). Знайдіть силу струму (в амперах) у момент t = 2 с.
Розв'язання:
Крок 1. Сила струму — похідна заряду: I(t) = q′(t) = 3t² + 2
Крок 2. Підставляємо t = 2: I(2) = 3·4 + 2 = 12 + 2 = 14
Відповідь: 14.
Чому інші варіанти хибні: 12 — це значення заряду q(2), а не сила струму; 8 — помилкове диференціювання (t³)′ = 3t замість 3t²; 10 — знак «+» проігноровано; 26 — невірне обчислення.
Розберемо найпоширеніші помилки, яких припускаються учні під час розв'язування задач на фізичний зміст похідної.
Підставляють момент часу в закон руху s(t), а не в швидкість s′(t). Запам'ятай: швидкість — це похідна, тому спочатку диференціюй, потім підставляй.
На запитання про прискорення відповідають швидкістю v(t₀). Прискорення — це похідна від швидкості, тобто друга похідна закону руху. Щоб знайти прискорення, продиференціюй двічі.
Рахують «швидкість» як s(t)/t — середню від початку руху, а не миттєву. Миттєва швидкість — це похідна, а не ділення координати на час.
У задачі про зупинку залишають від'ємний момент часу. Час t у фізичних задачах завжди невід'ємний, тому корені t < 0 треба відкидати.
Вважають сталий доданок закону руху (початкову координату) швидкістю. Наприклад, для s(t) = 5 + 3t швидкість дорівнює 3, а не 5.
Змішують одиниці: хвилини й секунди, кілометри й метри. Якщо закон руху задано в метрах і секундах, швидкість буде в м/с. Якщо в кілометрах і годинах — у км/год. Не переплутай!
Фізичний зміст похідної входить до теми 3.3 програми НМТ з математики рівня стандарту. У програмі зазначено: «фізичний … зміст похідної» та «розв'язувати задачі з використанням геометричного та фізичного змісту похідної».
У довідкових матеріалах, які додають до тесту, формул фізичного змісту похідної немає. Рівності v = s′ і a = v′ треба знати напам'ять. Натомість таблиця похідних і правила диференціювання в довідці є — ними можна скористатися під час обчислення похідних.
У демоваріанті НМТ-2026 завдання на похідну — це завдання 19, яке має формат короткої відповіді лише десятковим дробом, оцінюється в 0 або 2 бали. Задача на швидкість за законом руху має таку саму форму відповіді — одне число без одиниць вимірювання.
Стратегія розв'язування
Уважно прочитай умову й підкресли, що саме питають: координату, швидкість чи прискорення.
Визнач, у який момент часу t₀ треба обчислити величину.
Якщо питають швидкість — диференціюй закон руху один раз; якщо прискорення — диференціюй двічі.
Підстав t₀ в отриману похідну, а не в закон руху.
Перевір, що момент часу невід'ємний (t ≥ 0).
Запиши відповідь числом без одиниць вимірювання.
Чим миттєва швидкість відрізняється від середньої?
Середня швидкість обчислюється на проміжку часу як відношення переміщення до часу: v_сер = Δs/Δt. Вона показує, як швидко тіло рухалося в середньому за цей проміжок, але не враховує змін усередині нього. Миттєва швидкість — це швидкість у конкретний момент часу, вона дорівнює границі середньої швидкості при Δt → 0, тобто похідній закону руху: v(t₀) = s′(t₀).
Чому прискорення — похідна швидкості, а не закону руху?
Прискорення описує, як швидко змінюється швидкість. Оскільки похідна будь-якої величини за часом — це швидкість її зміни, то прискорення дорівнює похідній від швидкості: a(t) = v′(t). Водночас швидкість — це похідна закону руху, тому прискорення є другою похідною закону руху: a(t) = s″(t). Якщо брати похідну безпосередньо від закону руху, отримаєш швидкість, а не прискорення.
Що означає від'ємна швидкість?
Від'ємна швидкість означає, що тіло рухається в напрямі, протилежному до додатного напряму осі координат. Наприклад, якщо додатний напрям — угору, то від'ємна швидкість означає рух униз. Знак швидкості показує напрям руху, а модуль — величину швидкості.
Навіщо відкидати від'ємний момент часу?
У фізичних задачах час t відраховують від початку спостереження, тому t ≥ 0. Від'ємні значення t не мають фізичного змісту в контексті задачі — вони відповідають моментам до початку руху, які нас не цікавлять. Тому, розв'язавши рівняння v(t) = 0, завжди перевіряй, які корені невід'ємні.
Як за швидкістю знайти закон руху?
Закон руху — це первісна від швидкості. Якщо відома v(t), то s(t) = V(t) + C, де V(t) — будь-яка первісна для v(t). Сталу C* знаходять із початкової умови — координати тіла в момент *t = 0. Наприклад, якщо v(t) = 2t і s(0) = 3, то s(t) = t² + 3. Докладно обчислення первісних розглянуто в окремому розділі курсу.
Миттєва швидкість — похідна закону руху: v(t) = s′(t)
Прискорення — похідна швидкості: a(t) = v′(t) = s″(t)
Швидкість у момент t₀ — підставляй t₀ у похідну, а не в закон руху.
Тіло зупиняється, коли v(t) = 0, і t ≥ 0
Середня швидкість на проміжку: Δs/Δt; миттєва: s′(t₀)
Похідна будь-якої величини за часом — швидкість її зміни.
Закон руху — первісна від швидкості.