Python 物理模拟：匀速直线运动

引言

今天和大家分享一个使用 VPython 模拟匀速直线运动的入门程序。这个程序虽然简单，相当于“Hello world！”，它却包含了物理模拟的基本框架，非常适合初学者学习。我一直有一个想法，就是把各种难懂的物理过程，包括各种高考或者物理竞赛的模型，可以用这种直观的方法模拟出来，毕竟物理是实验学科，而可视化的模拟实验可以大大减少实验成本（尽管更好的做法是直接实验验证），也使得物理学习更加有趣和直观。

VPython 是一款专为教学和科研设计的 3D 可视化 Python 库，简单易用，非常适合物理模拟。接下来，我会经常用到它。后面我也会介绍其它的python库，这些工具对于理解物理和物理教学都有很大的帮助，希望我也能坚持下去，争取将整个物理学都形象地模拟一遍。现在AI辅助调试程序，可以使我大大节约程序调试和编写的时间成本，这也是我开始这个公众号的原因，现在AI可以大大降低编程难度，之前我写到一半卡在那里的程序，也得以调试成功正确运行了，相信AI也能帮到大家。

一、物理原理

匀速直线运动

匀速直线运动是最简单的机械运动形式，其特点是：

• • 物体沿直线运动
• • 速度大小和方向保持不变
• • 加速度为零

核心公式

x(t) = x₀ + v × t

二、程序代码

"""匀速直线运动2026/5/27written by 顾振兴"""from vpython import *  # 引入VPython库# ========== 1. 参数设定 ==========size = 0.1# 木块边长 (m)L = 2# 地板长度 (m)v = 0.03# 木块速度 (m/s)t = 0# 时间 (s)dt = 0.01# 时间间隔 (s)# ========== 2. 画面设定 ==========scene = canvas(    title="匀速直线运动",    width=800,    height=600,    background=color.white)scene.camera.pos = vec(0, 2, 3)    # 相机位置scene.camera.axis = vec(0, -2, -3) # 相机朝向scene.range = 1.2# 视野范围# 创建地板和木块floor = box(    pos=vec(0, 0, 0),    size=vec(L, 0.1*size, 0.5*L),    color=color.blue)cube = box(    pos=vec(-0.5*L + 0.5*size, 0.55*size, 0),    size=vec(size, size, size),    color=color.red,    v=vec(v, 0, 0))# 创建图形窗口gd = graph(title="x-t 图", xtitle="t(s)", ytitle="x(m)")gd2 = graph(title="v-t 图", xtitle="t(s)", ytitle="v(m/s)")xt = gcurve(graph=gd, color=color.red)vt = gcurve(graph=gd2, color=color.red)# ========== 3. 运动循环 ==========while cube.pos.x <= 0.5*L - 0.5*size:    rate(1000)  # 每秒执行1000次    cube.pos.x += v * dt  # 更新位置    xt.plot(pos=(t, cube.pos.x))  # 绘制x-t曲线    vt.plot(pos=(t, cube.v.x))    # 绘制v-t曲线    t += dtprint("t =", t)

三、代码解析

1. 参数设定

2. 3D 场景设置

scene.camera.pos = vec(0, 2, 3)    # 相机位置scene.camera.axis = vec(0, -2, -3) # 相机朝向

视角示意图：

        camera.pos (0, 2, 3)              ↓              ↘               ↘                ↘  camera.axis                  ↘↓                   → → → → → →→ origin (0, 0, 0)

3. 运动循环

while cube.pos.x <= 0.5*L - 0.5*size:    rate(1000)               # 控制帧率    cube.pos.x += v * dt     # 位置更新    xt.plot(pos=(t, cube.pos.x))  # 绘制数据

关键点：

• • rate(1000)：每秒执行 1000 次循环
• • cube.pos.x += v * dt：手动更新位置（而非物理引擎）
• • xt.plot()：实时绘制位移-时间曲线

四、运行结果

计算验证

可视化效果

程序运行后会显示：