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物理中“频率”与“速度”的关系

(2015-03-27 23:59:41)
标签:

物理

频率

速度

角频率

角速度

    博主之前有一些关于这个问题的初步想法,但没有形成体系也没有进行记录,今天试着理清思路。

    其实思考这个问题的缘由是在博主的学习中经常遇到"角频率"这个物理量。角频率,一般用符号ω来表示,并且定义为ω=2πf,其中f是频率。我们在学习理论知识的时候,最让人印象深刻的就是放入具体的场景中学习,因为人类的大脑对具体的场景更敏感,而对抽象更不敏感。我们在中学物理中都见过的场景——圆周运动,学圆周运动时肯定遇到过"角速度"这个物理量。角速度,是单位时间内转过的角度,单位是rad/s。然后就会发现,这不就是上面说的角频率吗?在这个场景中,角频率就是角速度,它们是同一个物理量。

http://s15/middle/002sHEj7zy6R2efidWufe&690

图1 圆周运动的示意图

    博主想到这里并没有罢休,不知道大家有没有想:为什么同一个物理量,既叫做角速度又叫做角频率?

    本着好奇心害死猫的精神,我开始从最基本而普遍的视角探究频率和速度的关系。以下是博主的思考过程。

    第一感觉认为,什么是频率?频率被认为是单位时间里重复的次数。

    第一感觉认为,什么是速度?速度是单位时间里走过的路程。

    物理学中,频率的量纲是 1/时间,速度的量纲是 长度/时间。

    那角速度是什么?是角度发生变化的速度,单位是 rad/s

    说到这里,也许就可以意识到了:速度和频率可以统一到同样的物理意义之下:它们都是人类对于一个行为变化快慢的感知和衡量。我们这样来理解:一个操作/行为,单位时间内完成的次数越多(注意单位时间内完成的不一定是整次数),我们就说这个操作/行为的频率越快;再来看速度,在走过的路程发生变化的场景中,我们可以把走过单位长度的路程定义为完成一次操作/行为,那么单位时间内发生这一操作/行为的次数(注意这个量在此定义下是频率的概念)就是单位时间内走过的路程,就是速度。

所以可见,速度和频率的物理意义是一致的。速度是具体的频率,而频率则是人类对物理量随时间变化速度的一种抽象。

 

    上文博主以"角速度"和"角频率"为例,尝试讨论了速度和频率的关系,得出速度和频率其实可以统一到同样的物理意义之下:它们都是人类对于一个行为变化快慢的感知和衡量。

    但这里大家可能会继续有问题:为什么总是听到把"角速度"叫做"角频率",而其它的速度,比如线速度等,没有叫做"线频率"呢?

    这个问题博主目前的看法是:人类对物理世界中的周期运动是非常敏感的,也是非常愿意接受的。角速度是在圆周运动的场景中有意义的物理量,而圆周运动是一种周期运动。人类定义的周期运动,有着明显的周期,比如单摆振动,矢量圆周运动等,人类可以观察到明显的周期性重复;而上文中博主试图分析的频率和速度的物理意义的一致性,就不是人类容易接受的意义,因为直观感觉上不容易把"每走过单位路程/距离"作为一个周期事件。博主认为,这是因为人类在观察物体运动的过程中,直觉上更对物体的位置更敏感,所以诸如单摆,圆周运动,它们的周期性都是以位置而言的。事实上圆周运动真的是人类非常喜欢的一种周期性运动了,我们的三角函数,sincos,还有复指数ejz,它们的几何/物理意义都在于矢量的圆周运动之中。人类也非常喜欢把很多种周期运动(也就是具有频率的运动)等效到圆周运动上。


    关于频率与速度,角频率与角速度的关系博主暂时就想到这里,也引申出了一点关于周期性等效成圆周运动的思考。都只是很自我的一些看法,也还有很多关于些主题的疑问,需要继续寻找合适的答案。欢迎大家多提见解和意见!

 

【下集预告】

    电子信息这个大的研究方向有很多分支,比如无线通信,移动通信,光通信,信息论与编码,数字信号处理,电路理论与设计,算法与软硬件实现,程序设计,还有新兴的移动互联网等等(分类方法并不科学了…),但无论哪一个方向,有一门课是绝对绕不过去的,那就是《信号与系统》,它是所有后续研究分析的基础。其实博主平时工作中发现,真正把专业上的事情做好的人,并不一定有多么高深的知识,而是能够把简单而基本的概念、方法和思路学到深入,反复灵活地使用。

    所以博主接下来打算以《信号与系统》这个研究主题为中心,与大家分享自己的感受和感悟,也是对知识的一个再梳理。目前还没有太具体的计划,现在也刚刚开始重新总结这个主题的知识,就一集一集地更新吧。下一集,《信号与系统》这个主题的第一集,我将在2015/3/304/14这两周内至少更新一集。

    谢谢朋友们的关注!

 

 

JohnzyBUPT

2015/3/28,北京

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