高中物理中的平均值問題*

王朝祥

(北京市第八十中學(xué) 北京 100102)

1 平均值的基礎(chǔ)知識

1.1 不連續(xù)量的平均值

如果給出一系列數(shù)值x1，x2，x3，…，xn，xn>0，以不同的數(shù)學(xué)運(yùn)算方式可以取得不同類型的平均值.

算術(shù)平均值

幾何平均值

調(diào)和平均值

方均根

加權(quán)平均值

W=x1p1+x2p2+…+xnpn

其中加權(quán)系數(shù)之和

p1+p2+…+pn=1

不同平均值之間的大小關(guān)系：H≤G≤A≤R，當(dāng)x1=x2=x3=…=xn時取等號．

1.2 連續(xù)函數(shù)的平均值

如圖1所示，其幾何意義為：在區(qū)間[x1,x2]范圍內(nèi)，函數(shù)曲線下所圍曲邊梯形的面積等于矩形ABCD的面積，矩形的高即為函數(shù)的平均值．

圖1 y-x圖像

若將積分區(qū)間分成n個等份(n→∞)，每一份記為Δx，對應(yīng)的函數(shù)值為yi，則

由此可見，連續(xù)函數(shù)的平均值與不連續(xù)量的算數(shù)平均值在本質(zhì)上是一致的．

2 平均值在物理中的應(yīng)用

2.1 平均值問題中的等效替代思想

物理學(xué)需要研究各種變量，許多物理量的變化過程是非均勻的，研究起來比較困難．引入平均的思想，可以用一個等效的常量代替變量，或者用一個均勻的變化過程代替非均勻的變化過程，從而對大量的同類變量或非均勻變化的過程做出整體的、概括性的描述．不同平均值的數(shù)學(xué)運(yùn)算方式不同，其物理意義也不同．

在測定性的物理實(shí)驗(yàn)中，對待測物理量進(jìn)行多次測量，然后把各次的測量結(jié)果取算術(shù)平均值，以此作為待測物理量的測量值，可以有效地減小實(shí)驗(yàn)過程中的偶然誤差．

如果某個物理量的平均值跟參與平均的各個量在總體中的權(quán)重有關(guān)，就要用到加權(quán)平均值．例如單向直線運(yùn)動的平均速度、混合物的密度(不考慮總體積變化)、混合物的比熱容、混合物的平均摩爾質(zhì)量、質(zhì)心坐標(biāo)，等等．作為特例，如果各個量的權(quán)重相同，加權(quán)平均值就等于算術(shù)平均值．

調(diào)和平均值H是各個量倒數(shù)的算術(shù)平均值的倒數(shù)，在中學(xué)物理里有幾種典型應(yīng)用．例如：電路中有n個不同的電阻R1，R2，…，Rn并聯(lián)，從對電流的阻礙作用來看，這些電阻可以等效地看作n個相同的電阻Rh并聯(lián)，Rh即為這n個電阻阻值的調(diào)和平均值；電容器的串聯(lián)也有類似的規(guī)律．

溫度是分子熱運(yùn)動劇烈程度的標(biāo)志，溫度越高，分子平均動能越大．分子平均平動動能是各個分子平動動能的平均值，即

有定積分作為數(shù)學(xué)工具，計(jì)算連續(xù)函數(shù)的平均值就不再困難．例如，力的空間累積是功，力對位移的平均值可以表述為

借助力對位移的平均值，可以將變力做功問題等效地轉(zhuǎn)化為恒力做功問題．類似的平均值問題還有力對時間的平均值、平均速度、平均加速度、平均電流、平均功率等．

交變電流的有效值是根據(jù)電流的熱效應(yīng)定義的，即如果交變電流i(t)一個周期T內(nèi)在電阻R上產(chǎn)生的熱量與某一恒定電流I相同時間內(nèi)在電阻R上產(chǎn)生的熱量相等，恒定電流I稱作交變電流i(t)的有效值．即

有效值

例如，正弦交流電i(t)=Imsin(ωt+φ)的有效值

借助微元思想可以體會，交變電流的有效值I實(shí)際上是一個周期內(nèi)電流的方均根．

2.2 應(yīng)用平均值時要注意的幾個問題

物理量的各種平均值具有豐富的物理意義，計(jì)算物理量的平均值時要注意平均的對象、平均的區(qū)域、平均的方法這3個問題．

平均值的計(jì)算都有具體的對象．同一個物理量，若所取的平均對象不同，計(jì)算所得的平均值也就不同．辨別平均的對象，解決的是“對什么取平均”的問題．例如，力對位移的平均值等于該力所做的功與所對應(yīng)位移的比值，力對時間的平均值等于該力的沖量與所對應(yīng)時間的比值，這兩個平均值具有不同的物理意義．

不同類型的平均值所對應(yīng)的數(shù)學(xué)運(yùn)算方法不同，其物理意義也就不同．計(jì)算平均值時，要根據(jù)具體的物理情景和物理問題的需求，選取不同的平均方法．

3 典型問題分析

【例1】某物體做勻加速直線運(yùn)動，在一段時間內(nèi)其速度由v1增加到v2，求該物體在這段時間內(nèi)的平均速度及其在位移中點(diǎn)的瞬時速度．

解析：物體的加速度記為a，加速時間

位移

其平均速度

聯(lián)立解得，物體在位移中點(diǎn)的瞬時速度

點(diǎn)撥：在勻加速直線運(yùn)動中，中間時刻的瞬時速度(平均速度)等于始末速度的算術(shù)平均值，位移中點(diǎn)的瞬時速度等于始末速度的方均根．

若將物體做直線運(yùn)動的位移分為相等的兩段，前半段的平均速度為v1，后半段的平均速度為v2，則全程的平均速度

此為v1和v2的調(diào)和平均值．

另外，若將物體的直線運(yùn)動分為前后兩段，第一段運(yùn)動的時間和平均速度分別為t1和v1，第二段運(yùn)動的時間和平均速度分別為t2和v2，則全程的平均速度

此為v1和v2的加權(quán)平均值．

請讀者結(jié)合本題中4種平均速度的計(jì)算，體會不同類型的平均值在物理意義上的區(qū)別．

在0～T時間內(nèi)

點(diǎn)撥：本題中，電流對時間的平均值與時間段(平均的區(qū)域)的選取有關(guān)．

不同的物理過程內(nèi)，物理量的平均值一般不同．因此，敘述物理量的平均值時要明確所對應(yīng)的物理過程．

圖2 例3題圖

解析：彈力與位移的函數(shù)關(guān)系為F=-κx，此過程中彈力對位移的平均值

彈力與時間的函數(shù)關(guān)系為

F=-κAsinωt

此過程中彈力對時間的平均值

【例4】在一次實(shí)驗(yàn)中，某同學(xué)用螺旋測微器測量某圓柱體的直徑D，在柱體的不同位置測量了6次，測量結(jié)果如表1所示.

表1 直徑D的測量值

請計(jì)算直徑的算術(shù)平均值及其標(biāo)準(zhǔn)差．

解析：測量結(jié)果的算術(shù)平均值

1.048 0+1.049 5+1.047 0)=1.049 18 cm

測量值的不確定度

算術(shù)平均值的標(biāo)準(zhǔn)差

所以，直徑的測量結(jié)果可以表述為

點(diǎn)撥：在處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的過程中，測量結(jié)果不確定度的估算涉及方均根的運(yùn)算．表述測量結(jié)果時，測量結(jié)果的有效數(shù)字與不確定度的最后一位對齊．