什么是“最速降线”

文摘   2024-06-19 17:11   北京  

今天咱们请到两个演示小人,“徐worm1017”和“徐worm0619”,他们俩一个站在一个高台上,另一个站在地面上。

图片源于本文作者

高台上的“徐worm1017”想要将手里的篮球通过滑梯(无摩擦力)传给另一个人,他们想知道建造一个什么形状的滑梯才能使篮球最快传到徐worm0619的手里。这就是历史上著名的“最速降线问题”——即,一个物体要从A点落到B点,使得所用时间最短的路径是哪一条?

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假设最速降线的曲线为y=y(x),下落的篮球机械能守恒,可以得到下落花费的时间为

问题是,y=y(x)取什么函数,能使上述积分式数值最小?这在数学上是一个泛函问题,利用变分法可以得出y需要满足的方程为

求解该微分方程,可以得到曲线y=y(x)的参数式为

用程序画出上述曲线方程

最速降线,图片源于本文作者

再回过头来看下面的等式,在篮球运动过程中,始终满足

该式的形式就是光的折射定律!

地面上铺上许多层玻璃,图片源于本文作者

如果在地面上铺上许多层玻璃,每一层玻璃的折射率不同,每一层玻璃的折射率为

那么光线在玻璃中传播的路径就是刚刚篮球走的最速降线。

本文完。

地球远征军
普通一本毕业的物理大学生,在普通一本继续读物理研究生,当个普通人的同时多多思考宇宙。记录学习物理之路上的有趣见闻,一起保持住刚学习物理时的惊喜感和好奇心,希望有生之年看到人类遨游宇宙,走向星空。
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