抛体运动
Projectile motion
开始之前
投篮的篮球、水管喷出的水流、从桌边滚落的小球,走的都是同一类曲线。在牛顿运动定律页面,力会沿它作用的方向改变速度。重力只向下作用,所以它应该只改变运动的竖直部分。如果这是对的,那么从同一高度水平抛出的球和直接松手下落的球,应该同时落地。这是一个可以在这里检验的预测;函数和二次方程页面则给了我们描述这条曲线的工具。
把一个球向前抛出,它一边向前走,一边落向地面。我们可以把这两个方向分开观察,再放回同一段运动中。本实验忽略空气阻力,先看水平方向的速度是否改变,再看重力怎样改变竖直方向的速度。这样,弯曲的轨迹就有了可以逐步解释的来源。
实验设置蓝色抛体与金色对照球从同一高度出发。发射角为 0° 时,两者竖直初速度都为零。重力恒定向下,没有空气阻力。
怎样观察先做水平抛出,按播放。在几个时刻暂停,比较两个球的高度:它们始终一样高,因为两者竖直方向的初速度都为零,重力又以完全相同的方式改变它们的竖直速度,所以两者都满足 。然后增大抛出速度。蓝色的球落得更远,但落地的时刻与之前相同,都是 秒。最后把发射角调到 0° 以上:球一开始就有向上的速度,因此不再与下落的球保持同样高度。
先预测从同一高度同时平抛和静止释放,谁先落地?
用可验证的对照理解水平与竖直运动的独立性。
前置知识:速度是有方向的量;同一速度可以分解成相互垂直的两个分量。地面附近的重力加速度 约为 ,它只改变竖直方向的速度。做平抛与自由落体对照
先预测从同一高度同时平抛和静止释放,谁先落地?
先取发射点正下方地面为坐标原点,向右为正方向,向上为正方向。初始高度为,向上速度为。重力使向上速度每秒减少,所以经过秒,竖直速度是 。
这段时间速度均匀变化,平均值是首尾速度之和的一半,等于 。平均速度乘时间就是位移,因此 。也可以在速度–时间图上,用长方形 减去底、高的三角形得到它。
平抛球与静止释放的对照球都有 ,也有相同和,因而每一刻的相同。落地时 :,,取正落地时间 。 时,,与水平速度无关。按发射,观察两球同时到地面。
怎样观察
- 在最高点暂停,区分竖直速度为零与总速度为零
- 将仰角设为零,从同一高度比较平抛和自由落体
- 改变初速度与重力,验证射程和飞行时间
这个模型简化了什么
均匀重力场、无空气阻力,发射角为 0° 到 85°,以发射位置的竖直投影为水平零点。能量按单位质量 J/kg 显示,地面为势能零点;动画到第一次落地为止,不模拟碰地。自由落体对照从同一高度静止释放,仅平抛时与主弹体同时落地。画面采用固定距离比例;远距离飞行时相机跟随,发射台高度不因其它参数变化。
