本書將Python程序設計和物理力學知識同步結合起來，通過程序設計將物理概念和物理過程進行3D可視化展 現，幫助讀者在3D場景下加深對物理知識的理解和掌握，從而培養讀者學習物理的興趣，提高物理自主學習和科 學探究的能力。全書共10章，第1章介紹使用Python進行3D物理學程序設計的基礎知識，第2～10章結合高中物理教材的知識點進行實例講解，便於讀者結合物理教材進行同步學習。另外，本書還配有完整的教學視頻，讀 者結合視頻可更直觀地學習書中的內容。本書適合理工科高校一年級學生、高中學生、職高和中職學生學習，也可為物理教師和中小學信息 技術教師提供信息化創新教學參考，還可以供廣大物理愛好者參考使用。
新時代優秀科普工作者（山東省僅18名），工學博士，副教授，山東棗莊人，中共黨員，漢族。CCTV 10《我愛發明》發明人。擁有十多項發明專利，致力於大學生創新創業研究與指導工作十八年，哈工大藍色海特節能賽車隊創始人，哈工大大學生方程式賽車車隊創始人，3D打印實驗室創始人，山東省3D打印科普教育基地主任，威海市3D打印及其應用技術公共服務平臺主任，山東省汽車零部件快速設計製造工程技術研究中心主任。發表論文20餘篇，專著3本。近7年致力於青少年科技創新教育（STEM）與科普工作，具有豐富的教學經驗和項目指導經驗。
CCTV 10《我愛發明》發明人，哈工大藍色海特節能賽車隊創始人，哈工大大學生方程式賽車車隊創始人，3D打印實驗室創始人多年經驗總結。
用Python輕鬆學物理
案例有趣，告別枯燥
配套視頻，學習直觀
在線答疑，隨學隨問
前言
寫作目的
（1）Python 是一個非常簡單且好用的程序設計工具
首先說它簡單。Python 不像其他語言那樣有著複雜的語法，我們不用提前定義變數的類型，
也不用瞭解什麼是“指針”和“中斷”，只需要按照書上的公式和解題過程輸入代碼，程式就寫完了。因此，Python 才能真正被稱為演算式程式語言。當然Python 也有一定的語法規範，但並不複雜。
其次說它好用。什麼是好用？我們能用它快速完成一個任務，它就是好用。我們今天能用它來做一個物理的類比程式，明天能用它在遊戲《我的世界》（Minecraft）中批量創造建築，
後天能用它開發一套語音辨識程式或進行網絡資料抓取等，它就是好用。大家注意，我們是“一”天用它完成一個不同的任務，而不是用多個工作日。可以利用Python 的簡短代碼完成其他程序設計語言用龐雜的代碼才能完成的工作，而且Python 是免費、開源的，我們可以從各種途徑獲得各種資源，加快和優化項目的進程。既然Python 是那麼好用的一個工具（這裡不再稱它為程序設計語言），那麼我們越早掌握越好。越早掌握這個工具，就能越早進行科技創新，就能越早用它輔助我們的學業或完成我們的項目。
先談一下科技創新。舉個例子，僅從Python 本身來講，比如，中學階段你就掌握了這個
工具，那麼從踏入大學校門的第一天起，你就可以用Python 寫論文、參加各種科技創新比賽，這最終將有助於你擇業。
再聊一下Python 對學業的輔助作用。Python 是一種演算式程序設計工具，它特別適合理論計算類例題或習題的求解。我曾經看過外國中學生用Python 對數學計算題進行演算的實例。中小學裡的數學、物理及化學等課程，凡是有計算題的地方都可以用Python 進行計算或驗算。
大學裡的課程理論更深，如果能用Python，很多問題都能迎刃而解。
（2）青少年如何學習Python
知識的學習有一個過程：看到了，你才會相信；聽懂了，你才會理解；做過了，你才會記住。對Python 的學習也是這樣，要學好Python，我們就得做項目。也就是說，我們必須採用基於項目的學習方式，通過做項目的過程來融會貫通地學習Python 的基礎知識。通過編寫完整的項目程式，才能真正系統掌握Python 程序設計知識。
對廣大青少年讀者來講，以什麼項目來學習Python 才是合適的？這個項目必須和青少年讀者的知識層次和知識結構相對應，不要“超綱”。很多程序設計培訓機構的老師們都有感覺，目前開展青少年程序設計培訓最大的難度不在於程序設計語言，而在於學習者對程序設計項目所需專業知識的掌握程度。比如，在給小學生講解重力作用下小球桌面反彈遊戲程序設計時，所需要的Python 知識點小學生們幾分鐘就可以聽懂，可是卻需要花費半天的時間來給小學生講解重力加速度和自由落體等方面的知識。
所以，無論你是中小學生，還是大學生，或者是已經參加工作的青年朋友們，最好能夠結合自己的課程或者業務來學習Python。
（3）Python 學習和物理學習相結合的重要性
綜上所述，我想出了Python 程序設計和物理學習相結合的項目。物理學科的難度係數很大，很多知識點比較晦澀，僅憑書中的描述，學生很難建立正確的物理場景，更別提能正確理解概念和熟練掌握應用了。為能將複雜的物理問題的動態過程展現得具體而生動，使程序設計過程具有趣味性，我們採用3D 可視化程序設計，對物理過程進行3D 動態模擬。因此，本書也就誕生了。為最大限度地節省讀者的學習時間，提高學習效率，我們按照物理力學知識點的順序同步編寫本書，根據知識點設計對應的程序設計項目。
物理學科是一個基於實驗的學科，學習者可通過物理的實物實驗培養對外界知識不斷探索的興趣。在課堂實驗之外，學習者如何對實驗過程進行複習、概括及拓展，往往受制於實驗硬體條件的限制。硬體條件的限制使學習者只能停止對物理知識的探究，更無法形成系統的物理自主學習能力。而物理新課標核心素養裡明確要求要培養學生的物理探究能力和自主學習能力。
現在利用Python 就可以完全解決這個問題。我們可以利用Python 完成物理的虛擬實驗，甚至可以完成實物無法實現的實驗。比如衛星的橢圓軌道運行及衛星的變軌問題，這個實驗是無法做實物實驗的，但可通過Python 將衛星運動的動力學過程描述出來，當我們通過程式改變速度實現衛星橢圓軌道的變大或變小時，學習者才能真正理解實際的衛星在飛天過程中通過控制發動機的點火來增大或減小推進力的意義所在。
利用Python 可以建立一個物理實驗項目，通過改變程式中某個或某些變數的數值，就可以輕鬆改變實驗條件，進而適當拓展或者無限拓展實驗條件。我們可以創建自己的實驗條件，
也可以創建自己的實驗，從而將很多實物無法實現的過程（概念）採用3D 動態模擬的過程展現出來。
本書特色
本書具有以下特點。
（1）本書不是一本Python 語言的工具書，而是一本講解如何利用Python 建立3D 物理虛
擬實驗，從而學習物理的書。全書沒有安排專門的章節講解Python 的基礎知識，而是直接帶領讀者按照項目實例的方式進行程序設計和學習。讀者可以完全沒有Python 基礎，只需要認真地跟著本書進行實例的程序設計操作，通過程序設計實踐感悟認知規律，在做過一兩個實例之後，相信大家在加深對物理知識掌握的基礎上自然就學會了Python 的程序設計基礎。
（2）按物理力學知識點脈絡安排章節，讀者可以根據物理知識結構同步系統地學習。本書強調專業知識的重要性，而不是過分強調軟件操作，因為本書的主要目的是掌握物理學知識，而Python 只是協助學習物理知識的軟件工具。
（3）以步驟拆解的方式講述項目的程序設計過程，每個實例都分為“載入3D 模組”到“定義動畫迴圈”等不同的程序設計操作步驟，使讀者熟練掌握使用Python 軟件進行3D 物理學項目開發的清晰條理。
主要內容
本書將Python 程序設計和物理力學知識同步結合，通過程序設計將物理概念和物理過程進行3D 可視化展現，在3D 場景下加深對物理知識的理解和掌握，從而培養物理學習興趣，提高物理自主學習和科學探究能力。
本書共分10 章，具體內容如下。
第1 章介紹使用Python 進行3D 物理學程序設計的基礎知識。通過簡單的實例介紹了利用VPython 模組進行基本的3D 形狀創建的方法，以及如何控制位置移動和3D 動畫的生成，最後通過勻速直線運動完整的實例介紹利用Python 進行3D 物理學模擬的基本步驟。
第2 章介紹運動的描述。通過實例首先介紹位置與參考系的概念，進而提出位移- 時間關係曲線，在位移曲線的基礎上深度理解速度和加速度的基本概念。
第3 章介紹勻變速直線運動。首先模擬了勻變速直線運動的三維動態過程和位移、速度及加速度隨著時間的變化關係，然後對多階段變速過程進行探討，最後對自由落體和豎直上
拋這兩類特殊勻變速直線運動進行分析。
第4 章介紹相互作用——力。首先對彈簧的彈力和長度之間的關係進行動態模擬，然後對靜摩擦力向動摩擦力的轉換過程進行了深入研究，最後對力的合成與分解，特別是重力在斜面上的分解過程進行詳細的模擬分析。
第5 章介紹運動和力的關係。首先對外力作用下的勻變速直線運動的加速度和力、質量的關係進行深入探究，然後對具有摩擦力的斜面運動進行了三維模擬，最後對經典的伽利略斜面運動實例進行了3D 模擬再現。
第6 章介紹拋體運動。首先介紹外力對直線運動狀態的改變效果，然後對重力作用下的平拋運動和一般拋體運動進行了詳細的3D 動態模擬與分析。
第7 章介紹圓周運動。首先對圓周運動進行基本的模擬實現，然後對向心加速度和向心力進行詳細的模擬模擬，進而對向心力改變時的切線運動和離心運動進行動態模擬，最後對圓錐擺問題進行3D 物理學模擬分析。
第8 章介紹萬有引力及宇宙航行。首先對物體間的萬有引力進行簡單的模擬，然後模擬在萬有引力作用下地球衛星的橢圓運動，進而計算軌道週期等參數，對衛星變軌問題進行深入的模擬探討，最後對相對論尺度改變問題進行簡單的模擬分析。
第9 章介紹機械能守恆定律。首先對做功和動能定理進行了模擬，然後對重力勢能和彈性勢能及機械能守恆進行了詳細的模擬分析，最後以單擺運動為例模擬分析機械能守恆條件下的能量相互轉化過程。
第10 章介紹動量守恆定律。首先對動量和動量定理的基本概念進行了模擬，然後分別對小球對心碰撞時的彈性碰撞和非彈性碰撞進行了詳盡分析，最後對單擺碰撞時的彈性碰撞過程進行了3D 動態模擬與分析。
本書配有全套視頻講解，所有的代碼均提供原始程式碼下載服務。另外，本書設立了兩個讀者QQ 群，用於解答讀者的疑問，便於大家交流。
另外，我在中國大學MOOC 上已經開設了獨立SPOC 課程，需要此課程學習密碼的讀者請和我聯繫。
軟件版本及安裝說明：
（1）Python 版本：本書採用Python 3.9.1 編寫，讀者可以直接從Python 官網下載Python安裝檔。需要注意的是，在安裝Python 時必須選擇“Add Python 3.9 to PATH”進行Python
環境變數的設置。
（2）VPython 版本：本書採用VPython 7.0 版本，該版本的安裝檔不能直接下載，只能通過pip 命令在線下載和安裝，即在命令提示窗口輸入“pip install vpython”便可以完成VPython 的安裝。如果安裝不成功，可能是因為pip 的版本過低，需要輸入“pip install --upgradepip”完成相應的升級。
致謝
首先感謝我的家人，沒有他們對我的支援與鼓勵、關心與照顧，本書不能順利成稿。其次要感謝筆者近年來所有遇到過的大/ 中/ 小學物理教師和信息技術教師，沒有他們一
線的教學需求和課題研究需求分析，本書無法成稿。最後要感謝電子工業出版社的編輯李利健和她的同事們，沒有出版社的大力支持，沒有李編輯和其同事們的辛苦付出、耐心指導，本書無法順利出版。
由於作者水準有限，書中難免有錯誤和不當之處，敬請讀者批評、指正。
張繼春
第1 章 Python 3D 物理學基礎............ 1
1.1 入門實例.......................................... 1
1.1.1 命令列輸入.......... 1
1.1.2 程式檔輸入................... 2
1.2 3D 模型的創建 .................. 3
1.2.1 3D 坐標系......................... 3
1.2.2 球體模型....................... 3
1.2.3 長方體模型............ 4
1.2.4 圓柱體模型................... 6
1.2.5 螺旋體（彈簧）模型............. 7
1.2.6 箭頭模型................. 9
1.3 位置的移動..................... 9
1.3.1 直接修改位置屬性................ 9
1.3.2 引入速度概念修改位置屬性....... 10
1.4 3D 動畫的實現——物體位置的連續改變 ....... 11
1.4.1 3D 動畫的構成............... 11
1.4.2 rate() 函數的作用................ 13
1.5 勻速直線運動程式實例......................... 14
第2 章運動的描述............. 21
2.1 位置與參考系實例............. 21
2.2 位移- 時間關係實例 ................... 24
2.3 速度的概念——追及問題實例........... 29
2.4 加速度的概念實例....................... 33
第3 章 勻變速直線運動的研究...................... 38
3.1 初速度為零的勻變速直線運動實例................. 38
3.2 加速度為負的勻變速直線運動實例................... 43
3.3 多階段勻變速直線運動實例............. 48
3.4 自由落體運動實例................... 53
3.5 豎直上拋運動實例.......................... 59
第4 章 相互作用——力................ 64
4.1 彈簧與胡克定律實例............ 64
4.2 動摩擦力與靜摩擦力實例................. 69
4.3 力的合成實例............................... 74
4.4 重力沿斜面的分解實例......................... 75
4.5 力的平行四邊形分解實例............. 81
第5 章 運動和力的關係.......................... 84
5.1 直線運動加速度與力、質量關係實例.......... 84
5.2 考慮摩擦力的斜面運動實例.......... 92
5.3 伽利略斜面運動實例............ 99
第6 章 拋體運動........... 108
6.1 外力方向和初始速度方向垂直的曲線運動實例...... 108
6.2 平拋運動實例......................... 113
6.3 一般拋體運動實例.................. 119
第7 章 圓周運動............. 127
7.1 基於三角函數的圓周運動模擬實例........... 127
7.2 圓周運動的向心加速度實例.................. 130
7.3 圓周運動的向心力及其分解實例............... 134
7.4 圓周運動、向心運動與離心運動實例.......... 141
7.5 圓錐擺實例................... 146
第8 章 萬有引力及宇宙航行............. 152
8.1 地球及衛星物體間萬有定律實例............ 152
8.2 地球近地衛星橢圓軌道實例........... 155
8.3 地球近地衛星軌道週期及半長軸的計算實例............... 160
8.4 地球近地衛星變軌實例....... 163
8.5 相對論長度收縮效應實例................ 167
第9 章 機械能守恆定律........... 171
9.1 功與動能實例.................. 171
9.2 斜面運動重力做功與重力勢能實例........ 176
9.3 彈簧彈力勢能實例........... 182
9.4 單擺運動機械能守恆實例................ 188
第10 章 動量守恆定律............... 195
10.1 動量概念與動量定理實例............. 195
10.2 兩球對心碰撞實例................ 200
10.3 單擺彈性碰撞實例................ 206
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