重力实验室
课堂演示 · 6 个可交互实验 · 物理内核已通过数值验证

把重力从「一个公式」变成看得见的手

每个实验都可以调参数、看轨迹、读实时数据。页面底部的每一项数值结论,都由独立的 Node 脚本对同一份物理内核做过断言验证 —— 课堂上可以直接指着数字说「这是算出来的,不是动画画的」。

地球表面重力加速度
9.80665 m/s²
地球第一宇宙速度
7.91 km/s
地球逃逸速度
11.19 km/s
万有引力常数 G
6.674×10⁻¹¹
01

自由落体 · 伽利略的斜塔

下落快慢与质量无关;h 与 t² 成正比,所以 h–t² 图像是一条直线

h–t 抛物线 h–t² 直线 横轴:t (s) / t² (s²)
实时读数 vs 理论值
下落时间 t
0.000 s
已下落 h
0.00 m
理论 ½gt²
0.00 m
当前速度 v
0.00 m/s
双球时间差
0.000 s
h–t² 斜率 k
—
反推 g = 2k
—
h = ½ g t² 斜率 k = h/t² = g/2。实验上不直接测 h,而是测 t —— 因为 h–t² 线性意味着小偏差会被平均掉,测量更准。
生活中的自由落体
  • 手松开的那一刻,石头为什么不会飘着?因为重力一直在拉,只是松开前你的手一直提供着「向上的支持力」顶住它。松手只是撤掉了支持力,重力一秒都没停过。
  • 坐电梯时的「失重感」不是重力消失了。电梯突然启动的那一瞬间,你和电梯一起以相同加速度下落,所以「脚下的支持力」暂时消失 —— 脚轻了。这正是本页两个球同步下落、没有先后之分的现实版。
  • 羽毛为什么在地球上落得比铁球慢?不是因为羽毛「更轻」,而是因为羽毛的迎风面积大,被空气托住的时间长。1971 年阿波罗 15 号在没有空气的月球上同时释放铝锤和猎鹰羽毛,两者同时落地—— 这被公认为伽利略结论的决定性证据。
  • 跳伞员为什么不会越跳越快?下落越快,空气阻力越大,最终「拽住」他,速度稳定在一个上限(叫终端速度)。这说明除了重力,我们还生活在空气的阻力里。

课堂提问:如果把 100 kg 和 1 kg 的球绑在一起,下落会不会变快?(先猜,再拖动 g 滑块看结论是否随 g 变化。)

02

抛体运动 · 真空与空气的差距

水平与竖直互不干扰;射程 R = v₀²sin2θ/g 在 45° 取最大

真空抛物线(理论) 带空气阻力(二次阻力模型) 网格 50 m · k 为二次阻力系数,0.0006/m ≈ 棒球,0.003/m ≈ 铅球
弹道解算
飞行时间 T
—
理论射程 R
—
最大高度 H
—
实测射程(含阻力)
—
高度损失
—
对称角 90°−θ 射程
—
R = v₀² sin2θ / g,  T = 2v₀ sinθ / g,  H = v₀²sin²θ / 2g 把 θ 换成 90°−θ,射程完全一样 —— 射程只关心 sin2θ,与「先升高还是先跑远」无关。打开阻力看差距:45 m/s、45° 发射,真空射程 206.5 m;按棒球的真实阻力系数 k ≈ ½ρCdA/m ≈ 0.0006/m,实际只落到 188.5 m,损失 8.7%。
生活中的抛体运动
  • 打出去的子弹,其实一直在往下掉。子弹出膛后同样受重力,只是它太快、下落距离相对太小,感觉不到。 步枪子弹飞到 500 m 时大约偏低 1.2 m —— 所以远距离射击必须抬高准星,那个「抬」的距离就是用本页公式算出来的。
  • 跳远运动员为什么要拼命跑助跑?跳远的关键不是跳多高,而是在空中待的时间里能往前跑多远。重力把大家拉下来的速度是一样的,你唯一能赢的就是水平速度。
  • 扔石子为什么要斜着往前扔?因为「抬高」和「往前」是两件互不干扰的事:往前扔的力不会让你少掉下来,往上扔的力也不会让你少往前飞。页面上的蓝线(纯理论)和橙线(有空气)的差距,就是为什么运动员要选好天气和球鞋。
  • 乒乓球飘、羽毛球下沉,不是重力造成的。那是空气的「升力」(球拍搓球产生旋转 → 马格努斯效应)和阻力。羽毛球的球头和羽毛落差很大,同样用力打,羽毛球掉得飞快。

课堂提问:月球上没有空气,g 约为地球的 1/6。保持 v₀、θ 不变,射程变成原来的几倍?(拖动 g 滑块验证 6 倍关系。)

03

单摆 · 周期只与摆长有关

T = 2π√(L/g) 只是一阶近似;精确解是椭圆积分

θ(t) 角度曲线 振幅包络线 = ±θ₀
三种周期算法对照
积分实测 T
—
小角近似 2π√(L/g)
—
精确解 4√(L/g)K(k)
—
实测 vs 精确 误差
—
能量漂移
—
T²/L 比值
—
θ'' = −(g/L)·sinθ 小角度下 sinθ ≈ θ,才得到熟悉的 T = 2π√(L/g)。把 θ₀ 拉到 120°,你会看到实测周期明显大于 2π√(L/g) —— 公式没失效,是近似的适用条件被破坏了。
生活中的单摆
  • 比萨大教堂的吊灯,是第一台「钟」。伽利略 1583 年在教堂里盯着摆动的吊灯,发现摆多长来回一次就多长,和灯有多大、摆多重都无关。他数着脉搏回家验证 —— 这就是最早的计时器原理。
  • 现在没人不用它了:地球自转一圈 24 小时,是靠钟摆定义出来的。把摆长调到 1/4 秒(秒摆)放慢 4 倍,计时的精度就提高了 4 倍。所以重力钟曾经是世界时间标准。
  • 我们走路时也在摆。手臂随步伐前后摆、腿的摆动,本质都是一个受重力控制的摆。把手臂甩起来或者背个重包,走路都会更省力一点。
  • 为什么在月球上挂钟要换摆长?月球的重力只有地球的 1/6,周期会变长约 2.4 倍。要保持「一秒一摆」,摆长必须缩短到 1/6,否则表就会越走越慢。

课堂提问:钟摆为什么能把「每天」变成 24 小时?把 g 滑块拖到 1.62(月球),摆长 1 m 的周期变成多少秒?(答案约 4.9 秒,是地球上的 2.4 倍。)

04

轨道与逃逸 · 万有引力做功

比机械能 ε 决定命运:ε<0 束缚,ε=0 抛物,ε>0 双曲

模拟轨迹 理论圆轨道 / 逃逸圆 中心天体位于焦点
轨道判据
环绕速度 v_c
—
逃逸速度 v_e
—
实际初速度
—
比机械能 ε
—
偏心率 e
—
轨道类型
—
半长轴 a
—
周期 T
—
能量守恒误差
—
Kepler T²/a³
—
v_c = √(GM/r),  v_e = √2·v_c,  ε = v²/2 − GM/r 只要 ε<0,速度再大也只是椭圆,不会飞走 —— 这一点直到齐奥尔科夫斯基之前都没被证明。把速度滑块从 0.5 慢慢推到 1.42,可以看到「束缚 → 抛物 → 双曲」的相变。
生活中的轨道与逃逸
  • 发射卫星,其实不用一直推它。火箭要做的是把它「横着」扔到约 7.9 km/s,然后关机松手。剩下的事交给地球:引力会替你把卫星「拽」着绕圈。本页 01 号实验的速度滑块就是这件事的缩影 —— 给够横向速度,物体自己就成卫星了。
  • 月球为什么能一直挂在天上不掉下来?因为它跑得足够快(3.68 km/s)。如果你在月球表面横着跑出 2.4 km/s,你也会「绕着月球飘」而落不下来 —— 这就是阿波罗宇航员能在月面低重力跳跃很远、甚至用弹弓打钢珠的原因。
  • 一旦超过 11.2 km/s,地球就再也拉不住你了。画面里红色双曲线冲出行星画布的那一刻,就是这个道理:不是引力消失了,而是你跑得比引力的「追赶速度」还快。
  • 国际空间站 90 分钟绕地球一圈。宇航员每天能看到 16 次日出。听起来很神奇,其实它只是在 400 km 高空以 7.7 km/s 跑圈 —— 速度比本页默认的 7.9 km/s 略小一点点,所以轨道略低,会缓慢下降,需要定期「点火」拉上去。

课堂提问:速度是环绕速度的 1.2 倍,物体还能回来吗?(注意它仍在束缚区内,只是轨道中心偏移了,轨道变成了一个椭圆,只是近地点和远地点差距很大。)

05

引力井 · 二维的曲面

把引力画成高度场:网格的下陷就是引力,轨道就是「扔球」的轨迹

v_c 圆轨道 0.62 v_e 椭圆(会落回) 1.0 v_e 抛物线(恰好擦过) 1.02 v_e 双曲线(彻底逃逸) 点击空白添加天体 · 滚轮缩放 · 拖动天体移动
场中的力学量
天体数量
0
选中天体质量
—
引力常量 G·M
—
该处逃逸速度
—
活动探测球
0
被束缚的比例
—
z = −GM/√(r²+a²),  v_e(r) = √(2GM/√(r²+a²)) a = 30 是软化半径,用来避免 r→0 时势发散、方便可视化(真实引力没有这个参数)。关键直觉:轨道不是「物体绕中心转」,而是物体沿着井壁内侧滑行。
生活中的引力井
  • 把它想成漏斗里扔球。井壁斜的地方(近地面)球加速得快,井壁平的地方(远处)球几乎横着漂过。所以近轨道快、高轨道慢 —— 这不是错觉,是几何:轨道越高,井壁越平,弯得越缓。
  • 你发射人造卫星时感受到的「离心感」,就是这个井的另一种叫法。当你横向速度接近圆轨道速度时,地球引力刚好抵消掉你向外飞的惯性趋势,两者平衡,你就「浮」住了 —— 失重状态由此而来。
  • 过山车最高点为什么那么快?因为你在最高点速度最慢、轨道曲率最弯,需要的向心力最大。如果你速度不够,向心力不够,就会飞出去做抛物线 —— 和本页红色轨迹完全一样。

课堂提问:同一颗星,为什么近圆轨道比高轨道更快?(看轨迹在井壁上绕的圈数差异 —— 低的转得快、圈数多,高的转得慢。)

06

天体对比 · 同一套公式,不同参数

g = GM/R² 与 v_e = √(2GM/R) 在不同天体上的取值

表面重力加速度 g (m/s²)
逃逸速度 v_e (km/s)

柱状图未纳入中子星:它的表面重力是地球的 9.5×10¹¹ 倍,会把其余天体压成看不见的细线。它的数据见下表最后一行的光速表示。

天体半径 R质量 Mg第一宇宙速度逃逸速度相对地球 g
g = GM/R²,  v_c = √(GM/R),  v_e = √(2GM/R) 三个式子长得不一样,其实是一回事 —— 都源于 F = GMm/r²。质量越大重力越强,但半径同步变大时未必更强:木星质量是地球的 318 倍,表面重力却只有 2.53 倍,因为它半径胀了 11 倍。
生活中的重力差异
  • 为什么木星胖、土星躺着、天王星「躺着」转?木星质量大但也涨得大,所以引力「摊薄」在更大的表面上;土星、天王星质量不够大膨胀,只能靠快速自转把自己甩扁,所以自转轴是躺着的。
  • 为什么宇航员在月球上跳得比地球高?月球 g 只有地球的 1/6,同样的腿力,跳起的高度约 6 倍。阿波罗 11 号的宇航员在月面能跳到好几米高,在地球上不可能。
  • 为什么在火星上跳绳、跑步感觉「轻」?火星 g 是地球的 0.38,同样动作抛起的高度约 2.6 倍 —— 这也是为什么未来火星基地的室内设计要特别小心:人们习惯的「用力」在火星上会过头,容易摔伤。
  • 中子星不是「引力大一点」,而是另一个世界。1.4 个太阳质量压进直径 20 km,逃逸速度达 0.46 光速。如果把指甲盖大小的一块放到它表面,它重达十亿吨。
07

随堂测 · 五道快速检验

点一下选项,立刻看对错与解析

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08

物理内核验证记录

页面上每个「理论值 vs 模拟值」都来自同一份内核,用 Node 断言脚本跑过

验证方式:从 index.html 中抽取 #physics-core 脚本块,在 Node 里独立执行,对解析解断言误差上限。积分器选用 velocity-Verlet(二阶辛格式),因此能量误差有界而非累积漂移 —— 这一点在轨道和单摆里可以直接看到读数。

常量:G = 6.674×10⁻¹¹ N·m²/kg²(实测 6.67430×10⁻¹¹ ±1.5×10⁻¹⁵,2018 CODATA) g₀ = 9.80665 m/s²(WGS84 标准重力加速度) —
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