視頻分析軟件改善物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)

賀福

摘 要：實(shí)驗(yàn)是高中物理的基礎(chǔ)，教學(xué)中經(jīng)常要通過測量得出物體的運(yùn)動(dòng)學(xué)參量隨時(shí)間變化的規(guī)律。本文以Tracker軟件研究平拋運(yùn)動(dòng)規(guī)律和驗(yàn)證動(dòng)量守恒定律為例，展現(xiàn)該軟件在這方面的強(qiáng)大功能。另外，該軟件還具有成本低、操作簡單、易于推廣等特點(diǎn)，如果在高中教學(xué)中加以利用，有助于學(xué)生在探索認(rèn)識(shí)物理世界的同時(shí)，更便捷、直觀地掌握物理學(xué)的基本知識(shí)和技能，體驗(yàn)、領(lǐng)悟科學(xué)研究方法，建立科學(xué)的價(jià)值觀。

關(guān)鍵詞：Tracker軟件；平拋運(yùn)動(dòng)；動(dòng)量守恒

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-6148（2016）2-0010-2

1 引 言

當(dāng)今世界人類的生活離不開高科技產(chǎn)品，它使我們的生活變得方便、快捷、豐富多彩，在物理教學(xué)方面同樣如此。偶然的機(jī)會(huì)接觸到了視頻處理軟件——Tracker。在實(shí)際教學(xué)中，人教版必修1物理教材中提到過類似的工具，但沒有把它展示給學(xué)生，而且可能教師也沒有接觸過這個(gè)軟件。筆者經(jīng)過一段時(shí)間的摸索，發(fā)現(xiàn)Tracker軟件功能強(qiáng)大，物理運(yùn)動(dòng)學(xué)中的實(shí)驗(yàn)基本上都能夠很方便地使用這個(gè)軟件，并且不需要打點(diǎn)計(jì)時(shí)器、秒表和光電門等實(shí)驗(yàn)儀器的輔助。下面將詳細(xì)介紹該軟件，并以一個(gè)實(shí)驗(yàn)為例，展示其在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的強(qiáng)大功能。

2 軟件使用

打開Tracker軟件（如圖1所示），選擇主菜單的“視頻—導(dǎo)入按鈕”，將視頻加載，通過“視頻—剪輯設(shè)定”對視頻起始幀和終止幀進(jìn)行設(shè)定，并按下列基本步驟進(jìn)行分析。

1）設(shè)定參考坐標(biāo)。選擇“軌跡—坐標(biāo)軸—顯示”建立正交的坐標(biāo)軸。

2）進(jìn)行參考尺寸的定標(biāo)。由于在視頻中無法看出真正下落的距離，所以在視頻背景中要預(yù)先設(shè)定已知長度的參照物。

3）選定研究對象。本實(shí)驗(yàn)的研究對象是球，選擇“軌跡—新建—質(zhì)點(diǎn)”按鈕，創(chuàng)建質(zhì)點(diǎn)“Mass A”代表球。

4）進(jìn)行軌跡控制。Tracker軌跡控制的方式有兩種：一種是自動(dòng)追蹤，按住Shift+Ctrl鍵，出現(xiàn)1個(gè)圓圈，通過這個(gè)圓圈標(biāo)示出研究的對象，在后面的視頻中軟件可以自動(dòng)追蹤研究對象的位置。自動(dòng)追蹤容易出現(xiàn)的問題是當(dāng)視頻中的物體運(yùn)動(dòng)速度過快時(shí)，或者附近有相似顏色的物體時(shí)會(huì)出現(xiàn)追蹤偏差。第二種是自行打點(diǎn)追蹤，按住Shift鍵，出現(xiàn)1個(gè)光標(biāo)，選取皮球上的標(biāo)示點(diǎn)作為研究點(diǎn)，點(diǎn)擊鼠標(biāo)左鍵，軟件自動(dòng)記錄其位置和當(dāng)前視頻時(shí)間，視頻會(huì)進(jìn)入到下幀，依次用鼠標(biāo)點(diǎn)擊研究點(diǎn)連續(xù)獲得其位置隨時(shí)間的變化。

5）顯示圖像，依據(jù)獲取的位置和時(shí)間坐標(biāo)Tracker 可以同步繪制出其位移和速度隨時(shí)間的變化曲線。

2.1 驗(yàn)證碰撞過程動(dòng)量守恒實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)儀器：氣墊導(dǎo)軌、兩個(gè)碰撞用的小車，iphone6手機(jī)、標(biāo)示清楚的直尺（放于視頻的背景中，用于后面定標(biāo)）、木頭墊子兩個(gè)。用iphone6手機(jī)記錄下兩滑塊在氣墊導(dǎo)軌上的碰撞過程?；瑝K1的質(zhì)量m1=160.1 g，滑塊2的質(zhì)量m2=282.2 g，滑塊2在碰撞前速度為零。以下各圖展示了實(shí)驗(yàn)的情況：

在圖2中碰撞前和碰撞后的速度隨時(shí)間變化的圖像都是直線，這表明碰撞前后滑塊都是在做勻速直線運(yùn)動(dòng)。另外，從圖中可以觀察到碰撞后的斜率比碰撞前的斜率小，這說明碰撞后滑塊的速度比碰撞前小。兩條直線應(yīng)滿足函數(shù)式：

y=A*t+B。

通過數(shù)據(jù)擬合得到兩條直線的斜率（也就是速度大?。?，滑塊1碰撞前的速度v1=0.467 m/s[如圖2（a）中箭頭部分所指A的值]，碰撞后的速度v2=0.160 m/s[如圖2（b）中箭頭部分所指A的值]。

同樣的方法可以得到滑塊2碰撞后的速度v2=0.504 m/s（如圖3中箭頭部分所指A的值）。

接下來驗(yàn)證碰撞前后系統(tǒng)的動(dòng)量是否守恒：

碰撞前系統(tǒng)的總動(dòng)量

P前=P1前+P2前=0.2822 kg×0.467 m/s+0=

0.131 kg·m/s。

碰撞后系統(tǒng)的總動(dòng)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。

結(jié)論：在誤差允許的范圍內(nèi)系統(tǒng)的機(jī)械能守恒，也就是滑塊1和滑塊2組成的系統(tǒng)碰撞前后總動(dòng)量守恒。

3 總 結(jié)

從以上實(shí)驗(yàn)可以看出，Tracker視頻分析軟件在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中有以下幾方面的優(yōu)勢。

1）成本低、操作簡單、功能強(qiáng)、可簡化物理實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)中我們不需要那么多的實(shí)驗(yàn)器材，“驗(yàn)證碰撞過程中動(dòng)量守恒定律”實(shí)驗(yàn)中光電門系統(tǒng)也可以舍棄，“描繪物體速度隨時(shí)間變化的圖像”實(shí)驗(yàn)中打點(diǎn)計(jì)時(shí)器、紙帶、電源和直尺也不需要，“驗(yàn)證機(jī)械能守恒”實(shí)驗(yàn)中鐵架臺(tái)、打點(diǎn)計(jì)時(shí)器、紙帶、直尺和電源都不需要。另外，實(shí)驗(yàn)操作步驟也簡化了，只需要拍攝合格的錄像和數(shù)據(jù)處理這兩步。

2）可拓展實(shí)驗(yàn)范圍和實(shí)驗(yàn)選材，使實(shí)驗(yàn)更靈活，更貼近生活。

比如，在“探究小車速度隨時(shí)間變化的規(guī)律”實(shí)驗(yàn)中，利用Tracker軟件可處理真實(shí)的汽車在馬路上加速啟動(dòng)時(shí)速度隨時(shí)間變化的規(guī)律，只需在視頻的背景中放置標(biāo)尺。在講自由落體運(yùn)動(dòng)時(shí)，可以用Tracker軟件驗(yàn)證其加速度為重力加速度g。

3）學(xué)生可以自己設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，可以培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)研究素養(yǎng)。

實(shí)驗(yàn)輔助工具的多樣化，更有利于學(xué)生主動(dòng)去猜想、設(shè)計(jì)、實(shí)施和完成實(shí)驗(yàn)，從而總結(jié)得出具有普遍意義的物理規(guī)律。由于Tracker成本低、操作簡單、功能強(qiáng)，使學(xué)生自主實(shí)驗(yàn)操作難度降低。這不但可以培養(yǎng)學(xué)生分析問題、解決問題的能力，而且更有利于提高學(xué)生的科學(xué)研究素養(yǎng)。

參考文獻(xiàn)：

[1]李玉峰，熊建文，楊友源.視頻分析軟件在物理實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探究，2009，28（4）：62—64.

[2]吳肖，朱道云，胡峰，吳福根.利用視頻分析軟件Tracker 研究皮球的彈跳[J]. 物理實(shí)驗(yàn)，2013（7）：40—42.

（欄目編輯 趙保鋼）