用Scratch理解自由落体

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  传说,牛顿坐在自家的苹果树下思考问题,一只苹果恰巧掉落下来砸到了牛顿的头上,这小小的事件,让牛顿发现了万有引力定律。但是苹果从树上掉落的速度是越来越快呢,还是匀速掉落呢?今天我们用Scratch模仿物体的自由下落帮你更好地理解自由落体問题。
  常规物体初速度为零,且只在重力的作用下的运动称为自由落体。根据物理学知识,物体在自由下落的过程中速度会越来越快,是受当地重力影响的匀加速直线运动。自由落体的速度公式 V=gt;位移△S=gt2/2,由于不同的星球的重力加速度的数值是不相同的,在地球赤道附近重力加速度的数值约为9.81米/秒2,而在月球上,重力加速度的数值约为1.633米/秒2。所以如果我们在地球和月球上同样扔下一个苹果,地球的苹果会比月球的苹果先落地,为什么呢?因为月球的重力加速度是地球的1/6。
  在Scratch中我们用小球的运动来模拟自由落体运动,用以对比匀速运动和匀加速度运动。

1. 匀速运动


  首先选择ball(小球角色),设置大小,放到起始位置。为了在舞台中记录运动的过程,我们使用图章工具显示小球的运动轨迹。速度设为每0.1秒Y坐标增加-30,两个小球之间的间距就反映了小球的速度。重复执行到小球碰到舞台的边缘,程序结束(图1)。


2. 自由落体运动


  在现实中物体下落的过程不可能和上面一样一直做匀速运动,所以接下来我们对自由落体的重力加速度进行模拟。
  设置三个变量:g代表地球重力加速度9.81(单位米/秒2);S代表位移或者说是下降的距离(米);t代表时间(秒)。使用自由落体的位移公式:S=gt2/2。
  重复执行直到小球Y坐标小于-150结束。在重复执行过程中,小球的运动速度越来越快(小球的纵坐标减去下降的距离)。
  如果我们改变时间的间隔——提高采样率,就能够使得过程记录变得更加平滑。如果改变加速度g,就可以看到下降速度的变化(图2)。


3. 添加反弹效果


  在真实情况下小球落地后还会发生反弹,并且动能会逐渐消耗。为了模拟这个效果,程序将会变得更加复杂,要添加阻力效果,为了便于观察还要添加X方向的移动。感兴趣的同学可以自行尝试,代码我会放在百度云供大家下载。在学习编程的过程中,数学和物理知识是进行程序模拟的基础,为了更好地创作,朋友们都要好好学习才行(图3、图4)。






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