這個計算器的用途
本工具用來分析經典的拋體運動二次方程式 \(h(t) = -16t^{2} + vt + s\),其中高度以英尺(feet)計、時間以秒計。式中的常數 16 來自英制重力項(\(\frac{1}{2} \times 32\ \text{ft/s}^{2}\),因此這是以英尺為單位的版本)。只要輸入向上的初速度 v 與發射高度 秒,計算器就會回傳最大高度、到達該頂點所需的時間,以及物體落地的時間。
使用方法
在欄位中填入以「英尺/秒」為單位的初速度,以及以「英尺」為單位的初始高度,即可讀取結果。「最大高度」就是這條拋物線的頂點,「到達頂點時間」對應於拋物線的對稱軸,而「落地時間」則是方程式的正根。
公式詳解
由於拋物線開口向下,它的頂點即為最高點。對稱軸位於 \(t = -\frac{b}{2a} = \frac{v}{32}\)。把這個時間代回原式,便能得到最大高度 \(h_{\max} = s + \frac{v^{2}}{64}\)。想知道物體何時落地,令 \(h = 0\),並對 \(-16t^{2} + vt + s = 0\) 套用二次公式;具有物理意義的答案就是正根 $$t = \frac{v + \sqrt{v^{2} + 64s}}{32}$$。
實際範例
假設以 \(v = 64\ \text{ft/s}\) 的初速度,從 \(s = 80\ \text{ft}\) 的高度發射。到達頂點時間 $$= \frac{64}{32} = 2 \text{ 秒}$$ 最大高度 $$= 80 + \frac{64^{2}}{64} = 80 + 64 = 144\ \text{ft}$$ 落地時間:$$t = \frac{64 + \sqrt{4096 + 5120}}{32} = \frac{64 + \sqrt{9216}}{32} = \frac{64 + 96}{32} = 5 \text{ 秒}$$
常見問題
為什麼是 16,而不是 9.8?係數 16 是採用英尺單位、並以重力值 \(32\ \text{ft/s}^{2}\) 計算而來。若題目使用公制、以公尺為單位,則應改用 \(-4.9t^{2}\)。
如果沒有實數的落地時間怎麼辦?當 \(v^{2} + 64s\) 為負值時,物體在實數範圍內永遠不會回到 \(h = 0\) 的地面;在本情境中,只有當起始高度為負且速度很小時才會發生這種情況。
頂點一定出現在 \(t = \frac{v}{32}\) 嗎?是的。對稱軸只取決於 \(v\) 與 \(-16\) 這個係數,而與 \(s\) 無關。