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​抛射体的运动
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2022.09.02 广东

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在有加速度的运动中,在地球表面附近的抛射体运动是最简单的一种运这种运动的加速度是一个常矢量。

作为矢量表示法以及物体沿弯曲轨道运动的一个简单例子,我们讨论这样一个问题:在离地面一定高度处朝水平方向抛出一个球,如下面的左图所示。在这样一个问题中,假定球被抛出的一瞬间按下计时器,并且这样选择坐标系:以抛出点为坐标系的原点,抛射方向为

轴,竖直向下的方向为
轴。假定球被抛出后,沿着一条曲线轨道运动,在
时刻处于位置
。在这个运动中,有几个已知的物理量:下落球体的初始位置
,初速度
,球在任意时刻的加速度
。既然已经知道加速度随时间的改变(在我们现在这个问题中,加速度与时间无关),就很容易得到它的一个原函数
,由此得到这个球的速度

利用所得到的速度矢量可以进一步求出

由此得到平抛球体的位置与时间的函数关系

由于我们现在讨论的这个例子比较简单,可以直接用矢量等式的方式写出运动的微分方程并进行求解。如果问题比较复杂,也可以先将各个矢量按坐标轴分解,然后求解以分量等式的方式写出的微分方程,这种方式我们今后会有机会遇到。不过,不管是以何种方式求解,最终都会得到位置矢量的各个分量(也就是位置的坐标)与时间的函数关系:

把这两个关系中的时间变量消去就得到
从数学上看,这是一条抛物线。也许,这正是这种曲线被称为“抛物线”的缘由吧。
一个更复杂的例子是:在地面上以角度为θ的倾角发射一个炮弹,如上面的右图所示。在这个问题中,由于炮弹是向上方倾斜射出的,因此,选择炮弹射出点为坐标原点,水平方向并朝向发射的前方为
轴,竖直向上的方向为
轴。在这种选择下,炮弹的初始位置
, 初速度
任意时刻的加速度
。由加速度的表达式得到
,如果选择炮弹发射的瞬间作为计时的起点,则炮弹在任意时刻的速度
由速度的这个表达式可以进一步得出
由于
,因此,炮弹在任意时刻的位置

位置矢量的分量为
将两个分量中的时间变量消去,就得到两个坐标之间的关系
结果发现,炮弹的轨迹也是一条抛物线,但是,这条抛物线的顶点并不在原点处。利用求函数的极大值的方法(如果你在高等数学中还未学到这个方法,不要紧,利用中学的方法就可以做到:用配方法将上述等式的右边转换成完全平方就行。)可以求出炮弹在
处达到最高点,这时的高度为
当炮弹落到地面上时,
,由此可反解出炮弹的射程
正好等于炮弹到达最高点时水平距离的两倍,它显示出炮弹的上升过程和下落过程是对称的。这个结果明确地告诉我们,以45°的角度发射的炮弹能够达到最远的射程。
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