斜拋運(yùn)動(dòng)中射程問題的一般性討論與數(shù)值計(jì)算

琚 鑫

(北京市第十五中學(xué) 北京 100054)

岳凌月

(首都師范大學(xué)物理系 北京 100048)

王邦平

(首都師范大學(xué)附屬中學(xué) 北京 100048)

1 問題的提出

拋體運(yùn)動(dòng)是物理學(xué)中最基本、最重要的一種二維曲線運(yùn)動(dòng)之一.在地球表面附近不太大的范圍內(nèi)，重力加速度g可以看成常量.如果在整個(gè)拋體運(yùn)動(dòng)過程中，速度也不很大的情況下，可以忽略空氣阻力，則拋體運(yùn)動(dòng)的水平分量與豎直分量相互獨(dú)立，使問題大大簡(jiǎn)化.描述拋體運(yùn)動(dòng)的物理量主要有速度(分速度、合速度)、位移(分位移、合位移)和軌跡方程.

拋體運(yùn)動(dòng)的射程問題是個(gè)有趣的課題.對(duì)于初速度與末速度在同一水平面上的拋體運(yùn)動(dòng)而言，如文獻(xiàn)[1]所述，拋體所能達(dá)到的最遠(yuǎn)點(diǎn)稱為射程(本文亦采用此定義)，記為xm，計(jì)算可得

但是，如果初速度與末速度不在同一水平面上，而是有一段高度差h，那么，此時(shí)的射程是多少？最大射程與初速度v0，出射角θ，高度差h之間的關(guān)系如何？這就是本文要討論的問題.

2 模型與理論推導(dǎo)

如圖1所示，在距離地面h處拋出一個(gè)物體(可看作質(zhì)點(diǎn))，其初速度為v0，與x軸夾角為θ.忽略空氣阻力，則拋體運(yùn)動(dòng)的水平分量與豎直分量相互獨(dú)立.在豎直方向上，物體做豎直上拋運(yùn)動(dòng).在水平方向上，物體做勻速直線運(yùn)動(dòng)，由此可以得出物體的兩個(gè)分位移與時(shí)間t的關(guān)系，即運(yùn)動(dòng)方程為

圖1

消去時(shí)間參數(shù)t，即可得到軌跡方程

拋物線與x軸正半軸的交點(diǎn)坐標(biāo)即為射程L，解方程為

由此，射程L的表達(dá)式為

(1)

3 數(shù)值計(jì)算與討論

我們研究射程L與初速度v0和高度差h的關(guān)系，觀察v0與h對(duì)L-θ曲線[2]的影響.

圖2

圖2顯示了在高度差h恒定的情況下，不同的初速度對(duì)射程L的影響.繪圖時(shí)，參數(shù)選取為

h=2mg=10m/s2

(1)初速度決定射程的大小.在出射角度θ一定的情況下，隨著初速度的增加(從5 m/s到8 m/s)，物體的射程L越來越大，且不同初速度下的L-θ曲線彼此不相交，也就是說，在出射點(diǎn)與落地點(diǎn)存在高度差的情況下，我們不能使出射角度相同、出射速度不同的兩個(gè)斜拋運(yùn)動(dòng)達(dá)到同樣的射程.

(2)射程存在最大值θC.在出射角θ小于某一個(gè)角度值θC時(shí)，射程隨著出射角θ的增加而增加，當(dāng)出射角θ大于θC時(shí)，射程隨著出射角θ的增加而減小.

(3)最大射程依賴于θC.從圖2中可以看出，隨著v0的增加，射程取得最大值時(shí)對(duì)應(yīng)的角度θC會(huì)向θ增大的方向移動(dòng).這與h=0時(shí)，最大射程與出射角無關(guān)的結(jié)論不同.

(4)當(dāng)θ<θC時(shí)，射程隨θ的增加呈現(xiàn)較慢的增加，當(dāng)θ>θC射程隨θ的增加呈現(xiàn)較快的衰減.

(5)當(dāng)初速度v0較小時(shí)，θ在相當(dāng)寬的一個(gè)區(qū)間內(nèi),對(duì)應(yīng)的射程與最大射程相差不多.當(dāng)初速度v0較大時(shí)，射程對(duì)θ的取值變得越來越敏感.

圖3

圖4

另一個(gè)有趣的問題是，當(dāng)初速度和高度差的值給定后，能不能求出最大射程所對(duì)應(yīng)的出射角θC.答案是肯定的.我們只需將式(1)對(duì)θ求導(dǎo)數(shù)既可得

令其等于零，就可求出相應(yīng)的出射角θC，即解方程

(2)

表1 式(2)的數(shù)值解

從表中分析可知，在射程取得最大射程Lmax時(shí)，出射角θC與初速度v0近似滿足對(duì)數(shù)關(guān)系，即

θC=alnv0+b

其中a和b是待定系數(shù)，可由實(shí)驗(yàn)測(cè)定.我們對(duì)此亦作了數(shù)值計(jì)算，其中a近似穩(wěn)定在14.1左右，b隨h的變化較為明顯，近似滿足b∝h-1.

注：高度差h不可太大，否則質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)速度將較大，從而空氣阻力就不可忽略不計(jì)了.

參考文獻(xiàn)

1 趙凱華,羅蔚茵.新概念物理教程·力學(xué)(第二版).北京：高等教育出版社，2004

2 Mathematica Demystified, Jim Hoste, McGraw-Hill, 2009