抛体运动为什么能用抛物线代替椭圆,数学合理性在哪里
来源:中科院半导体所 发布时间:2023-06-02 分享至微信


文章来源:万象经验

作者:Eugene Wang


如果我问你,在忽略空气阻力而只考虑地球引力的情况下,投出去的篮球在空中的轨迹是什么?相信很多人都会说是抛物线。我们之所以会这样认为,是因为这种抛体运动有一个重要的近似,就是地球是一个无限大的平面,而且重力在任何地方都是恒定且垂直向下的。

但事实上,如果没有地面的阻挡,篮球会一直向地心奔去,在绕过地心后又会返回原来的位置。篮球飞行的轨迹是偏心率比较大的椭圆,而我们看到的地面上的轨迹只是椭圆的一小部分。

那么,为什么我们能把椭圆当成抛物线来处理呢?在高中时,我们就已经能在物理上找到这种近似处理的合法性。但是,在数学上这种近似为什么是可接受的?这困扰了我整个高中时期,毕竟当时我们所熟悉的抛物线方程和椭圆方程相差太大。

要解决这个问题,我们不能使用直角坐标,取而代之的是使用极坐标。为此,我们要先来推导极坐标系下的圆锥曲线方程。圆锥曲线的定义是,动点P到一定点F的距离r,动点P到一准线的距离为d,两个距离之比为一常数 e(偏心率),即r/d=e。那么,该动点P的轨迹就是圆锥曲线。根据这一定义,我们以定点F为极心,可以画出如下图形。

从图中我们可以得到,通常我们将准线到焦点的距离称为准焦距p,即这样一来,我们就可以根据圆锥曲线的定义写出如下等式:于是,我们就能得到极坐标系下圆锥曲线的方程

接下来,我们谈论不同的偏心率e所对应的圆锥曲线。当e=0时,此时曲线为圆(它的准线在无穷远处);当0<e<1时,曲线为椭圆;当e=1时,曲线为抛物线;当e>1时,曲线为双曲线。

回到我们开头所谈的篮球轨迹,其真实轨迹为椭圆,且篮球的折返点基本与地心重合。根据椭圆偏心率的定义,我们可以知道在这种情况下,此时篮球轨迹所形成的椭圆偏心率e与1相差无几,极限情况下我们可以取e=1。而e=1所对应的圆锥曲线就是抛物线,所以我们可以用抛物线来近似椭圆。

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不代表中科院半导体所立场


编辑:静玲子

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