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视频分析软件改善物理实验教学

时间:2016-04-17  作者:佚名

摘要:实验是高中物理的基础,教学中经常要通过测量得出物体的运动学参量随时间变化的规律。本文以Tracker软件研究平抛运动规律和验证动量守恒定律为例,展现该软件在这方面的强大功能。另外,该软件还具有成本低、操作简单、易于推广等特点,如果在高中教学中加以利用,有助于学生在探索认识物理世界的同时,更便捷、直观地掌握物理学的基本知识和技能,体验、领悟科学研究方法,建立科学的价值观。
论文关键词:Tracker软件,平抛运动,动量守恒
  当今世界人类的生活离不开高科技产品,它使我们的生活变得方便、快捷、丰富多彩,在物理教学方面同样如此。偶然的机会接触到了视频处理软件——Tracker。在实际教学中,人教版必修1物理教材中提到过类似的工具,但没有把它展示给学生,而且可能教师也没有接触过这个软件。笔者经过一段时间的摸索,发现Tracker软件功能强大,物理运动学中的实验基本上都能够很方便地使用这个软件,并且不需要打点计时器、秒表和光电门等实验仪器的辅助。下面将详细介绍该软件,并以一个实验为例,展示其在实验教学中的强大功能。
  2 软件使用
  打开Tracker软件(如图1所示),选择主菜单的“视频—导入按钮”,将视频加载,通过“视频—剪辑设定”对视频起始帧和终止帧进行设定,并按下列基本步骤进行分析。
  1)设定参考坐标。选择“轨迹—坐标轴—显示”建立正交的坐标轴。
  2)进行参考尺寸的定标。由于在视频中无法看出真正下落的距离,所以在视频背景中要预先设定已知长度的参照物。
  3)选定研究对象。本实验的研究对象是球,选择“轨迹—新建—质点”按钮,创建质点“Mass A”代表球。
  4)进行轨迹控制。Tracker轨迹控制的方式有两种:一种是自动追踪,按住Shift+Ctrl键,出现1个圆圈,通过这个圆圈标示出研究的对象,在后面的视频中软件可以自动追踪研究对象的位置。自动追踪容易出现的问题是当视频中的物体运动速度过快时,或者附近有相似颜色的物体时会出现追踪偏差。第二种是自行打点追踪,按住Shift键,出现1个光标,选取皮球上的标示点作为研究点,点击鼠标左键,软件自动记录其位置和当前视频时间,视频会进入到下帧,依次用鼠标点击研究点连续获得其位置随时间的变化。
  5)显示图像,依据获取的位置和时间坐标Tracker 可以同步绘制出其位移和速度随时间的变化曲线。
  2.1 验证碰撞过程动量守恒实验
  实验仪器:气垫导轨、两个碰撞用的小车,iphone6手机、标示清楚的直尺(放于视频的背景中,用于后面定标)、木头垫子两个。用iphone6手机记录下两滑块在气垫导轨上的碰撞过程。滑块1的质量m1=160.1 g,滑块2的质量m2=282.2 g,滑块2在碰撞前速度为零。以下各图展示了实验的情况:
  在图2中碰撞前和碰撞后的速度随时间变化的图像都是直线,这表明碰撞前后滑块都是在做匀速直线运动。另外,从图中可以观察到碰撞后的斜率比碰撞前的斜率小,初中物理论文这说明碰撞后滑块的速度比碰撞前小。两条直线应满足函数式:
  y=A*t+B。
  通过数据拟合得到两条直线的斜率(也就是速度大小),滑块1碰撞前的速度v1=0.467 m/s[如图2(a)中箭头部分所指A的值],碰撞后的速度v2=0.160 m/s[如图2(b)中箭头部分所指A的值]。
  同样的方法可以得到滑块2碰撞后的速度v2=0.504 m/s(如图3中箭头部分所指A的值)。
  接下来验证碰撞前后系统的动量是否守恒:
  碰撞前系统的总动量
  P前=P1前+P2前=0.2822 kg×0.467 m/s+0=
  0.131 kg·m/s。
  碰撞后系统的总动量
  P后=P1后+P2后=0.2822 kg×0.160 m/s+
  0.1601 kg×0.504 m/s=0.126 kg·m/s。
  结论:在误差允许的范围内系统的机械能守恒,也就是滑块1和滑块2组成的系统碰撞前后总动量守恒。
  3 总 结
  从以上实验可以看出,Tracker视频分析软件在物理实验教学中有以下几方面的优势。
  1)成本低、操作简单、功能强、可简化物理实验。
  实验中我们不需要那么多的实验器材,“验证碰撞过程中动量守恒定律”实验中光电门系统也可以舍弃,“描绘物体速度随时间变化的图像”实验中打点计时器、纸带、电源和直尺也不需要,“验证机械能守恒”实验中铁架台、打点计时器、纸带、直尺和电源都不需要。另外,实验操作步骤也简化了,只需要拍摄合格的录像和数据处理这两步。
  2)可拓展实验范围和实验选材,使实验更灵活,更贴近生活。
  比如,在“探究小车速度随时间变化的规律”实验中,利用Tracker软件可处理真实的汽车在马路上加速启动时速度随时间变化的规律,只需在视频的背景中放置标尺。在讲自由落体运动时,可以用Tracker软件验证其加速度为重力加速度g。
  3)学生可以自己设计实验,可以培养学生的科学研究素养。
  实验辅助工具的多样化,更有利于学生主动去猜想、设计、实施和完成实验,从而总结得出具有普遍意义的物理规律。由于Tracker成本低、操作简单、功能强,使学生自主实验操作难度降低。这不但可以培养学生分析问题、解决问题的能力,而且更有利于提高学生的科学研究素养。

参考文献:
[1]李玉峰,熊建文,杨友源.视频分析软件在物理实验中的应用[J].实验室研究与探究,2009,28(4):62—64.
[2]吴肖,朱道云,胡峰,吴福根.利用视频分析软件Tracker 研究皮球的弹跳[J]. 物理实验,2013(7):40—42.

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