拋體運動

調整初速、仰角、發射高度與重力加速度,按「發射」觀察軌跡與速度分量;開啟空氣阻力,和理想拋物線比較。

試試看:把仰角拉到 30° 按「發射」,落地後改成 60° 再發射,比比看落點。

目前軌跡 預測軌跡 理想拋物線(無阻力) 速度 v vx vy

在畫布上拖曳可直接調整仰角(鍵盤:Tab 選到畫布,再按方向鍵);每次落地的軌跡會保留下來(最多 5 條)方便比較。

背後的物理

忽略空氣阻力時,物體只受重力,水平方向不受力(等速度運動),鉛直方向是加速度為 \(-g\) 的等加速度運動。兩個方向各自獨立:

\[ x = v_0\cos\theta\, t, \qquad y = h_0 + v_0\sin\theta\, t - \tfrac{1}{2} g t^{2} \] \[ v_x = v_0\cos\theta, \qquad v_y = v_0\sin\theta - g t \]

消去時間 \(t\),軌跡是一條開口向下的拋物線:

\[ y = h_0 + x\tan\theta - \frac{g\,x^{2}}{2 v_0^{2}\cos^{2}\theta} \]

從地面發射(\(h_0 = 0\))時,飛行時間、最大高度與水平射程為:

\[ T = \frac{2 v_0 \sin\theta}{g}, \qquad H = \frac{v_0^{2}\sin^{2}\theta}{2g}, \qquad R = \frac{v_0^{2}\sin 2\theta}{g} \]

從高度 \(h_0\) 發射時,飛行時間是 \(h_0 + v_0\sin\theta\,t - \tfrac12 g t^2 = 0\) 的正根,射程最大的仰角 \(\theta^{*}\) 也有公式:

\[ T = \frac{v_0\sin\theta + \sqrt{v_0^{2}\sin^{2}\theta + 2 g h_0}}{g}, \qquad R = v_0\cos\theta\, T \] \[ \tan\theta^{*} = \frac{v_0}{\sqrt{v_0^{2} + 2 g h_0}}, \qquad R_{\max} = \frac{v_0}{g}\sqrt{v_0^{2} + 2 g h_0} \]

加入空氣阻力時,阻力與速度反向、大小與速率平方成正比(\(k = \tfrac12 \rho C_D A\)),運動方程式沒有簡單的公式解,只能數值求解:

\[ \vec{a} = -g\,\hat{y} - \frac{k}{m}\,|\vec{v}|\,\vec{v}, \qquad v_t = \sqrt{\frac{mg}{k}} \]

觀察重點

模擬方法

參考資料