你是否曾好奇：游戏里角色的跳跃轨迹、飘落的雨滴、飘动的树叶，这些“拟真效果”是怎么用代码实现的？实则答案就藏在一本经典书里——《The Nature of Code》（《代码本色》）。

这本书的核心是用代码还原物理规律，列如重力、弹力、碰撞，原本用Processing语言编写，今天我带你用更熟悉的Python“复刻”，从最基础的“粒子下落”开始，零基础也能跟着做，最后还能生成动态效果，学会就能用在可视化、小游戏开发里！

一、为什么用Python学《The Nature of Code》？新手也能踩稳的3个理由

许多人看到“物理”“代码”就怕，但用Python学《The Nature of Code》，门槛真的很低：

1. 库够简单，不用造轮子：我们用pygame（处理图形和动画）和math（基础计算），这两个库安装简单，API直观，列如画个圆、让物体动起来，几行代码就搞定，不用自己写复杂的图形渲染逻辑。

2. 物理知识“碎片化”学：不用啃完高中物理，书中每个案例只对应一个小规律，列如“粒子下落”只需要理解“重力是恒定加速度”，跟着代码走，边写边理解，比死记公式快10倍。

3. 效果可视化，成就感拉满：写完代码就能看到动态效果——列如粒子从屏幕上方落下，碰到地面弹起，这种“即时反馈”会让你越学越有劲儿，不像学单纯的语法那样枯燥。

先别急着写代码，我们先把环境搭好，5分钟就能搞定。

二、3步搭好环境！新手也不会错的操作指南

第一步：安装Python（已有可跳过）

去Python官网（www.python.org）下载最新版，安装时记得勾选“Add Python to PATH”，这样后续在命令行里就能直接调用Python。

第二步：安装必备库

打开电脑的“命令提示符”（Windows）或“终端”（Mac），输入两行命令，按回车等待安装完成：

pip install pygame

# （math是Python自带库，不用额外安装）

如果出现“pip不是内部命令”，大致率是安装Python时没勾“Add to PATH”，重新安装时勾选即可。

第三步：验证环境

新建一个Python文件（列如叫test.py），输入以下代码：

import pygame

import math

# 初始化pygame

pygame.init()

# 创建窗口

screen = pygame.display.set_mode((800, 600))

# 设置窗口标题

pygame.display.set_caption(“《代码本色》Python测试”)

# 主循环

running = True

while running:

# 处理退出事件

for event in pygame.event.get():

if event.type == pygame.QUIT:

running = False

# 填充背景色（浅灰色）

screen.fill((240, 240, 240))

# 画一个红色的圆（模拟粒子）

pygame.draw.circle(screen, (255, 0, 0), (400, 300), 20)

# 更新屏幕

pygame.display.flip()

# 退出pygame

pygame.quit()

双击运行这个文件，如果弹出一个浅灰色窗口，中间有个红色圆，说明环境没问题！接下来，我们正式进入第一个案例——“粒子下落”，还原《The Nature of Code》里最经典的物理效果。

三、实战案例：100行代码实现“粒子下落+地面反弹”，吃透“重力”和“弹力”

《The Nature of Code》第一章的核心是“粒子系统”，我们先做一个最简单的粒子：让它从屏幕上方落下，碰到地面后弹起（模拟重力和弹力），最后慢慢停下（模拟摩擦力）。

1. 先理解核心物理逻辑（不用怕，就3个公式）

我们不用深究物理原理，记住3个关键逻辑，代码就能对应上：

• 重力：粒子下落时，速度会越来越快（加速度恒定），列如每帧速度增加0.5。

• 弹力：粒子碰到地面后，速度会反向（向下变向上），但会“衰减”（列如反弹速度是撞击速度的0.7倍，模拟能量损失）。

• 位置更新：粒子的新位置 = 旧位置 + 速度（每帧更新一次，形成动画）。

2. 完整代码+逐行解释（复制就能跑）

新建文件particle_fall.py，复制以下代码，我会在关键处加注释，跟着看就能懂：

# 导入需要的库

import pygame

import math

# 1. 初始化pygame和设置窗口

pygame.init()

WIDTH, HEIGHT = 800, 600 # 窗口宽高

screen = pygame.display.set_mode((WIDTH, HEIGHT))

pygame.display.set_caption(“《代码本色》案例1：粒子下落与反弹”)

clock = pygame.time.Clock() # 控制帧率的时钟

# 2. 定义粒子类（核心！封装粒子的属性和行为）

class Particle:

def __init__(self, x, y, radius):

# 粒子初始位置（x,y）

self.x = x

self.y = y

# 粒子半径（大小）

self.radius = radius

# 粒子速度（x方向初始为0，y方向初始为0，即刚开始不动）

self.velocity_x = 0

self.velocity_y = 0

# 重力加速度（控制下落速度的增加幅度，越大下落越快）

self.gravity = 0.5

# 弹力系数（0-1之间，0不反弹，1完全反弹）

self.bounce = 0.7

# 摩擦力（0-1之间，0无摩擦，1很快停下）

self.friction = 0.98

# 更新粒子的位置和速度（每帧都会调用）

def update(self):

# 1. 应用重力：y方向速度增加（向下为正方向）

self.velocity_y += self.gravity

# 2. 应用摩擦力：x方向速度衰减（让粒子慢慢停下）

self.velocity_x *= self.friction

# 3. 更新位置：新位置 = 旧位置 + 速度

self.x += self.velocity_x

self.y += self.velocity_y

# 4. 碰撞检测：碰到地面（y方向超过窗口底部-半径）

if self.y + self.radius > HEIGHT:

# 让粒子停在地面上（不穿过地面）

self.y = HEIGHT – self.radius

# 反弹：y方向速度反向，并乘以弹力系数（能量损失）

self.velocity_y *= -self.bounce

# （可选）碰到左右边界也反弹

if self.x + self.radius > WIDTH or self.x – self.radius < 0:

self.velocity_x *= -self.bounce

# 绘制粒子（在屏幕上显示）

def draw(self, screen):

pygame.draw.circle(screen, (30, 144, 255), # 蓝色（RGB值）

(int(self.x), int(self.y)), # 位置（转成整数，避免报错）

self.radius) # 半径

# 3. 创建粒子实例（可以改参数玩一玩）

# 列如：在窗口顶部中间，创建一个半径20的粒子

particle = Particle(x=WIDTH // 2, y=50, radius=20)

# 4. 主循环（动画的“心脏”，每帧都会执行）

running = True

while running:

# 控制帧率：每秒60帧（避免动画太快或太慢）

clock.tick(60)

# 处理退出事件（点击窗口右上角叉号关闭）

for event in pygame.event.get():

if event.type == pygame.QUIT:

running = False

# （可选）点击鼠标，在点击位置创建新粒子

if event.type == pygame.MOUSEBUTTONDOWN:

mouse_x, mouse_y = pygame.mouse.get_pos()

particle = Particle(x=mouse_x, y=mouse_y, radius=20)

# 填充背景色（每次填充都会覆盖上一帧，避免粒子留下轨迹）

screen.fill((255, 255, 255)) # 白色背景

# 更新粒子状态（位置、速度）

particle.update()

# 绘制粒子

particle.draw(screen)

# 更新屏幕显示（把绘制的内容展示出来）

pygame.display.flip()

# 退出pygame

pygame.quit()

3. 运行代码+修改参数玩出花样（这步最关键！）

双击运行particle_fall.py，你会看到：蓝色粒子从屏幕顶部落下，碰到底部后弹起，弹起高度越来越低，最后慢慢停下——这就是《代码本色》里最基础的“重力+弹力”效果！

目前别停，试着改代码里的参数，玩出不同效果：

• 把self.gravity = 0.5改成1：粒子下落速度会变快，像“超重”一样。

• 把self.bounce = 0.7改成0.9：粒子反弹高度会更高，接近“几乎不损失能量”。

• 把self.friction = 0.98改成0.8：粒子左右移动时会很快停下，像“在粘土地上运动”。

改完再运行，你会直观感受到物理参数对效果的影响——这比死记公式有用多了，也是《The Nature of Code》的核心学习方法。

四、进阶：从“单个粒子”到“粒子系统”，1行代码生成100个下落的雨滴

学会了单个粒子，我们再进阶一步：实现《代码本色》里的“粒子系统”，列如生成100个粒子，模拟“雨滴下落”的效果。

实则很简单，只需要在之前的代码基础上，用一个列表来存储多个粒子，再循环更新和绘制就行。

完整进阶代码（复制就能跑）

新建particle_system.py，代码如下（关键修改处已标红）：

import pygame

import math

import random # 新增：用来随机生成粒子的位置和大小

pygame.init()

WIDTH, HEIGHT = 800, 600

screen = pygame.display.set_mode((WIDTH, HEIGHT))

pygame.display.set_caption(“《代码本色》案例2：粒子系统（雨滴效果）”)

clock = pygame.time.Clock()

class Particle:

def __init__(self, x, y, radius):

self.x = x

self.y = y

self.radius = radius

self.velocity_x = 0

# 新增：雨滴初始速度随机（让下落更自然）

self.velocity_y = random.randint(2, 5)

self.gravity = 0.1 # 雨滴重力小一点，更真实

self.bounce = 0.1 # 雨滴碰到地面几乎不反弹

self.friction = 0.99

def update(self):

self.velocity_y += self.gravity

self.velocity_x *= self.friction

self.x += self.velocity_x

self.y += self.velocity_y

# 新增：雨滴落到地面后，重新回到顶部（循环效果）

if self.y + self.radius > HEIGHT:

self.y = -self.radius # 从顶部外重新落下

self.x = random.randint(self.radius, WIDTH – self.radius) # 随机x位置

self.velocity_y = random.randint(2, 5) # 重置速度

def draw(self, screen):

# 雨滴用浅蓝色，半透明效果（最后一个参数是透明度，0-255）

pygame.draw.circle(screen, (173, 216, 230, 180),

(int(self.x), int(self.y)),

self.radius)

# 3. 关键修改：创建粒子系统（用列表存储100个粒子）

particle_system = []

for _ in range(100): # 生成100个粒子

x = random.randint(2, WIDTH – 2) # 随机x位置

y = random.randint(-HEIGHT, 0) # 初始在屏幕顶部外

radius = random.randint(1, 3) # 雨滴大小随机（1-3像素）

particle_system.append(Particle(x, y, radius)) # 加入列表

# 4. 主循环修改：循环更新和绘制所有粒子

running = True

while running:

clock.tick(60)

for event in pygame.event.get():

if event.type == pygame.QUIT:

running = False

screen.fill((0, 0, 0)) # 黑色背景，突出雨滴

# 循环更新所有粒子

for particle in particle_system:

particle.update()

# 循环绘制所有粒子

for particle in particle_system:

particle.draw(screen)

pygame.display.flip()

pygame.quit()

运行这段代码，你会看到：黑色背景下，100个浅蓝色的“雨滴”从顶部落下，落到地面后又会从顶部随机位置重新落下——这就是一个简单的“粒子系统”，也是《The Nature of Code》第二章的核心内容。

你还可以继续改：列如把random.randint(2,5)改成random.randint(1,8)，让雨滴速度差异更大；把粒子颜色改成(255,255,255)（白色），背景改成(0,0,139)（深蓝色），模拟“下雪”效果。

五、学会这些，你能做什么？（新手也能落地的3个方向）

看到这里，你可能会问：学这些“粒子”“物理”有什么用？实则能落地的方向许多，新手也能上手：

1. 数据可视化：把粒子和数据结合，列如用粒子的大小表明数据值，用粒子的运动表明数据变化（列如股票价格波动、人口流动），比静态图表更生动。

2. 小游戏开发：列如做一个“接球”游戏，用鼠标控制挡板，接住下落的粒子；或者做一个“弹球”游戏，让粒子碰撞反弹，这些都能用我们今天学的代码改出来。

3. 动态壁纸/艺术效果：列如生成“火焰”“烟花”“水流”的效果（《The Nature of Code》里有专门章节），导出成视频，就能当动态壁纸。

六、给新手的学习提议（避免走弯路）

1. 不要急着“啃全书”：《The Nature of Code》内容许多，先从“粒子系统”“力的应用”这两章入手，每章吃透1-2个案例，比囫囵吞枣强。

2. 多改代码，少背代码：列如今天的案例，试着加个“风力”（给velocity_x加个恒定值），或者让粒子颜色随速度变化，改的过程中才能理解逻辑。

3. 遇到问题先“看效果”：如果粒子穿过地面、不反弹，先打印self.y和self.velocity_y的值，看每帧的变化，很快就能找到问题（列如重力没加上、碰撞检测条件错了）。

今天我们用Python复刻了《The Nature of Code》的核心案例，从单个粒子到粒子系统，你会发现：用代码还原物理世界，实则没那么难，而且越玩越有意思。

接下来，你可以试着实现“粒子跟随鼠标”（给粒子加一个“指向鼠标的力”），或者“粒子碰撞”（两个粒子碰到后反弹），这些我会在后续文章里详细讲。

如果觉得今天的教程有用，欢迎点赞+关注，后续会持续更新《The Nature of Code》的Python实现案例，从新手到进阶，一起用代码“创造物理世界”！

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