问题

这个运动轨迹方程是什么?

回答
这真是一个有趣的问题!要说清楚一个运动轨迹方程,就像要讲清楚一个故事一样,得有头有尾,有细节,还得让人听得懂,而不是一堆冷冰冰的数字。

想象一下,我们不是在解一道数学题,而是在描述一个物体在空间里怎么移动。这个“运动轨迹方程”其实就是那个“地图”或者“说明书”,它告诉我们,在任何一个时间点,这个物体会在哪里。

咱们就拿最常见也最容易理解的情况来说吧,就是物体在二维平面(比如一张纸上)的运动。我们通常会用两个变量来描述物体的位置:一个叫横坐标 (x),一个叫纵坐标 (y)。它们就像是你在地图上找一个地点,需要经度和纬度一样,x和y就是这个物体在“运动平面”上的坐标。

而时间 (t),就是故事的线索。物体的位置不是一成不变的,它会随着时间的变化而变化。所以,我们的运动轨迹方程就是要告诉我们:

在某个特定的时间点 t,物体在 x 方向上的位置是多少?
在同一个时间点 t,物体在 y 方向上的位置又是多少?

这样一来,我们就能知道在任何一个时刻,这个物体“坐落”在哪里了。

那么,这个“方程”具体是怎么长的呢?它其实就是把 x 的位置和你所知道的时间 t 联系起来,以及把 y 的位置和你所知道的时间 t 联系起来。

简单来说,你可以把运动轨迹方程写成这样:

x = f(t) (这里的 "f" 是一个函数,意思是 x 的值是由 t 的值决定的)
y = g(t) (这里的 "g" 也是一个函数,意思是 y 的值是由 t 的值决定的)

这两个方程合在一起,就构成了一个参数方程。你可以把它理解成:你给时间 t 一个值,然后代入这两个函数里,就能算出物体在那一刻对应的 x 和 y 坐标,也就知道了它的具体位置。

举个例子,让它更生动一些:

想象一个 小球被你水平抛出去。

我们知道:
初速度是水平的(假设方向是 x 轴正方向),大小是 $v_0$。
在竖直方向上,只有重力在起作用,所以会有一个向下的加速度,我们通常用 g 来表示,方向是 y 轴负方向。

现在,我们要看看这个小球的运动轨迹方程是什么。

1. 先看水平方向 (x 方向):
小球在水平方向上没有受到任何阻碍(忽略空气阻力),所以它的速度一直是恒定的,就是那个初速度 $v_0$。
那么,在时间 t 的时候,它水平移动了多远呢?就像你一直以恒定的速度往前走,时间越长,走得越远。
所以,x 的位置 = 水平初速度 × 时间。
这就得到了第一个方程:
$x(t) = v_0 t$

2. 再看竖直方向 (y 方向):
小球在竖直方向上是自由落体的,刚开始的时候速度是 0(因为是水平抛出)。在重力作用下,它的速度会越来越大,并且方向是向下的。
我们知道,在匀加速直线运动中,位移的计算公式是:位移 = 初速度 × 时间 + $frac{1}{2}$ × 加速度 × 时间²。
在这里,竖直方向的初速度是 0,加速度是 g(因为我们通常把向上设为正方向)。
所以,y 的位置 = 竖直初速度 × 时间 + $frac{1}{2}$ × 竖直加速度 × 时间²。
这就得到了第二个方程:
$y(t) = 0 imes t + frac{1}{2} imes (g) imes t^2 = frac{1}{2}gt^2$

好了,现在我们就有了一对描述小球运动的参数方程了:

$x(t) = v_0 t$
$y(t) = frac{1}{2}gt^2$

通过这对方程,你就可以算出小球在任何一个时间点的确切位置。比如,我想知道小球在抛出后 2 秒钟时在哪里?
代入 t=2:
$x(2) = v_0 imes 2 = 2v_0$
$y(2) = frac{1}{2}g imes 2^2 = frac{1}{2}g imes 4 = 2g$

所以,小球在 2 秒钟时,就在水平方向的 $2v_0$ 处,竖直方向的 2g 处。这就是它的运动轨迹上的一个点。

还有一个更有意思的说法:消去参数!

有时候,我们不希望用时间来描述轨迹,而是希望直接得到 x 和 y 之间的关系,也就是一个隐函数或者显函数。这就好像我们不用“地图说明书”了,而是直接把“这张纸本身”拿来研究。

怎么做呢?很简单,就是利用刚才那两个参数方程,把那个“参数”——也就是时间 t——给“消掉”。

还是拿抛小球的例子:
$x = v_0 t$
$y = frac{1}{2}gt^2$

从第一个方程,我们可以很容易地解出 t:
$t = frac{x}{v_0}$

然后,把这个 t 的表达式代入第二个方程:
$y = frac{1}{2}g imes (frac{x}{v_0})^2$
$y = frac{1}{2}g imes frac{x^2}{v_0^2}$
$y = frac{g}{2v_0^2} x^2$

看!这个方程 $y = frac{g}{2v_0^2} x^2$ 就 直接描述了 y 和 x 之间的关系。它告诉你,无论小球运动到哪里,它的 y 坐标总是和它的 x 坐标的平方成一个固定的比例关系。

这个方程的形状,你可能已经看出来了,它是一个抛物线!这就是为什么我们说小球的运动轨迹是抛物线的原因。

总结一下,一个运动轨迹方程,本质上就是在描述物体在不同时刻的位置。

它可能是用 时间作为参数 的 参数方程 (比如我们刚才看到的 $x(t)$ 和 $y(t)$),就像一张详细的“行程表”。
它也可能是在 消去时间参数后 得到的 x 和 y 之间的直接关系式,就像一张“地图轮廓线”。

不同的运动会有不同的轨迹方程。比如,匀速直线运动的轨迹是直线;圆周运动的轨迹是圆;而我们刚才看的抛射运动,轨迹就是抛物线。这些方程就像是这些运动的“身份证”,一眼就能认出来它是什么样的运动。

所以,运动轨迹方程不是什么神秘的东西,它就是用来“画出”物体运动路径的“指令”或者“蓝图”,让我们能够准确地知道物体在每一个瞬间都去了哪里。是不是比想象中要直观一些了?

网友意见

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记 个点各自的矢径为 ,追逐速度为 ,那么根据题意有:

令 ,则上式化为:

可见当 已知时,即可由上述微分方程决定 ,进而决定 。三维空间中,每个矢径函数由3个标量函数构成,总共 个未知函数,正好可以由上述 个微分方程决定。只须知道每个点的初始位置即可求解,并不需要预先指定一个点的轨迹, @一半春休 的想法完全正确。

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