Physics · real student question

用因次分析把 45 英里每小時換算成公尺每秒。

Question

用因次分析完成下列單位換算:

45 mihr    ms45\ \frac{\text{mi}}{\text{hr}} \;\longrightarrow\; \frac{\text{m}}{\text{s}}

Step-by-step solution

  1. 先決定什麼要被消掉。 起始量的分子是英里、分母是小時;目標的分子是公尺、分母是秒。所以你需要一個把英里放到分母的因子,和一個把小時放到分子的因子。依「哪個單位該被消掉」來挑因子,而不是依「哪個數字看起來對」,這就是因次分析的全部精神。

  2. 寫下精確的換算因子。 依定義

    1 mi=1609.344 m,1 hr=3600 s1\ \text{mi}=1609.344\ \text{m},\qquad 1\ \text{hr}=3600\ \text{s}

    兩者都是精確值,所以不會損失精度。(1609.3441609.344 之所以精確,是因為國際碼被定義為恰好 0.91440.9144 公尺;1609.341609.34 是四捨五入後的版本。)

  3. 把因子串起來,讓單位互相消掉。

    45 mihr×1609.344 m1 mi×1 hr3600 s45\ \frac{\cancel{\text{mi}}}{\cancel{\text{hr}}}\times\frac{1609.344\ \text{m}}{1\ \cancel{\text{mi}}}\times\frac{1\ \cancel{\text{hr}}}{3600\ \text{s}}

    英里和英里消掉、小時和小時消掉,剩下公尺除以秒 —— 在做任何算術之前,單位本身就先確認了式子擺對了。

  4. 做算術。

    45×1609.3443600=45×0.44704=20.116845\times\frac{1609.344}{3600}=45\times 0.44704=20.1168

    所以

    45 mi/hr=20.1168 m/s20.12 m/s45\ \text{mi/hr}=20.1168\ \text{m/s}\approx 20.12\ \text{m/s}

    合併後的常數 0.447040.44704 值得記住:任何 mi/hr 的數字乘一次它就變成 m/s。

  5. 檢查數量級,並把方法反用。 一英里約 1.61.6 公里、一小時 36003600 秒,所以 mi/hr 換過去應該縮小約 1609/36000.451609/3600\approx 0.45 倍 —— 而 45×0.452045\times 0.45\approx 20,吻合。同樣的串接反向也行:75 m/s×1 km1000 m×3600 s1 hr=75×3.6=270 km/hr75\ \text{m/s}\times\frac{1\ \text{km}}{1000\ \text{m}}\times\frac{3600\ \text{s}}{1\ \text{hr}}=75\times 3.6=270\ \text{km/hr}

Answer

45 mi/hr=20.1168 m/s20.12 m/s45\ \text{mi/hr} = 20.1168\ \text{m/s} \approx 20.12\ \text{m/s}

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