利用多媒體技術(shù)判斷單擺做簡諧運(yùn)動

羅慧+楊小芳

摘 要：結(jié)合多媒體技術(shù)進(jìn)行物理實(shí)驗(yàn)對于獲得實(shí)驗(yàn)結(jié)論往往有意想不到的效果。本文闡述在單擺的實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中，利用手機(jī)錄像軟件錄制小球的運(yùn)動情況并用常用電腦軟件kmplarer、PowerPoint對視頻進(jìn)行處理，獲得小球的x-t圖，并利用幾何畫板證明單擺小球運(yùn)動為簡諧運(yùn)動，解決了教材中演示實(shí)驗(yàn)的不足，提高了課堂完整性。

關(guān)鍵詞：多媒體技術(shù)；單擺；簡諧運(yùn)動

中圖分類號：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-6148（2018）1-0054-2

1 問題的提出

在人教版選修3-4《單擺》這一節(jié)中，通過傳統(tǒng)的雙線擺演示實(shí)驗(yàn)得到物體的x-t圖，并通過理論推導(dǎo)回復(fù)力公式最終得到結(jié)論“在偏角很小的時候……單擺做簡諧運(yùn)動”[1]，體現(xiàn)了觀察實(shí)踐與理論探究結(jié)合的物理學(xué)科特點(diǎn)。但該演示實(shí)驗(yàn)存在幾個問題：注射器噴出墨水后，重心下移，擺長的變化會引起周期變化；很難保證白紙做勻速運(yùn)動；判斷得到的曲線為正弦曲線需用刻度尺測量曲線上若干個位置的橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)，不易在課堂上操作。因此，在實(shí)際教學(xué)中教師往往在繪制出一條x-t曲線后僅讓學(xué)生看下圖像，并認(rèn)為“覺得像”而草草得到該圖像是個正弦曲線的結(jié)論……

筆者對教材演示實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn)，用手機(jī)錄制小球的運(yùn)動并利用kmplarer、PowerPoint兩個軟件記錄單擺小球運(yùn)動（x-t），再通過Sketchpad（幾何畫板）驗(yàn)證該圖像是個正弦曲線，從而更直觀地得到結(jié)論：單擺小球的運(yùn)動為簡諧運(yùn)動，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)教學(xué)的不足。

2 小球視頻錄制

如圖1所示，為了保證小球的運(yùn)動在一個平面內(nèi)，將單擺改為雙線擺，掛在黑色支架上，支架在鐵架臺上固定，手機(jī)平放在鐵架臺的臺板上。由于在實(shí)驗(yàn)過程中需要觀察并調(diào)整小球在手機(jī)屏幕的位置，因此使手機(jī)正面朝上，利用前置攝像頭對小球的運(yùn)動情況進(jìn)行錄制。

圖2為錄像時手機(jī)屏幕截圖。調(diào)整手機(jī)位置，讓鐵球的運(yùn)動軌跡緊貼手機(jī)屏幕的左邊緣擺動，且不要超出屏幕上下邊緣，雙線擺的支架恰好在屏幕的中間。圖中實(shí)線框內(nèi)為后期取景區(qū)域，為保證小球運(yùn)動的x-t圖清晰美觀，框內(nèi)盡量不要出現(xiàn)其他景物，調(diào)整好后開始錄制，時間為3～5秒。

3 視頻連續(xù)截圖

視頻截圖是指將看到的視頻畫面截取并保存為圖片文件，Kmplayer是一款功能豐富的視頻播放軟件，具備將視頻按相同時間的間隔進(jìn)行截圖的功能。在Kmplayer軟件中打開錄制好的視頻先暫停播放，點(diǎn)擊鼠標(biāo)右鍵選擇“捕獲”—“畫面：高級捕獲”彈出“幀模式”對話框。如圖3所示，將“連續(xù)”“在一秒內(nèi)20幀”選中，表示在連續(xù)的時間內(nèi)每秒截圖20幅。兩幅圖的時間間隔為0.05 s，也可自行更改1 s內(nèi)的幀數(shù)。然后，點(diǎn)擊開始并讓視頻開始播放，視頻結(jié)束后點(diǎn)擊停止截圖，這樣就得到了小球在不同時刻的位置截圖，截圖文件保存的位置在C：＼KMPlayer＼Capture＼。

4 獲得x-t圖

如圖4所示，在截圖文件夾中選取鐵球從中間開始的一個全振動的連續(xù)照片，刪除多余照片。打開PowerPoint軟件，新建一張空白幻燈片，點(diǎn)擊“插入圖片”選中之前選的所有照片一起插入。然后點(diǎn)擊“格式”—“對齊”—“頂端對齊”得到效果，選中并拉動最左邊的一張圖片使第一個小球的位置與白板的最右邊對齊，選中并拉動最右邊的一張圖片使最后一個小球與白板的最左邊對齊，接著全選所有圖片并點(diǎn)擊“對齊”—“橫向分布”就可以將所有照片按等間距排布，得到如圖4所示單擺小球的x-t圖，原理類似頻閃照片，中間黑色條紋（雙線擺支架）可以等效地看成時間軸。（圖4）

5 正弦曲線的證明

Sketchpad（幾何畫板）是中學(xué)數(shù)學(xué)輔助教學(xué)軟件，可以繪制各種函數(shù)圖像。用QQ 截圖軟件將完成的x-t圖截取并粘貼至幾何畫板中，點(diǎn)擊幾何畫板的“繪圖”—“繪制新函數(shù)”，在彈出的“新建函數(shù)”對話框中點(diǎn)擊“函數(shù)”并選擇“sin”填寫參數(shù)，如圖5所示，然后點(diǎn)擊確定，調(diào)整三角函數(shù)圖像的位置及“ω”及“A”參數(shù)，其與x-t圖幾乎重合，黑色實(shí)線為新建三角函數(shù)曲線。這說明單擺小球運(yùn)動的x-t圖可以近似認(rèn)為是一個正弦函數(shù)圖像，該單擺做簡諧運(yùn)動。

6 結(jié)束語

利用多媒體技術(shù)從圖像獲取到x-t圖是正弦曲線的驗(yàn)證一蹴而就，在教師熟練操作后，整個過程只要幾分鐘時間，具有成本低、小球運(yùn)動時間和位置同時采集等優(yōu)點(diǎn)，可以讓學(xué)生對單擺是簡諧運(yùn)動有直觀的感受。物理學(xué)研究的結(jié)論可能被學(xué)生忘記，但物理學(xué)研究的思想和方法，研究的態(tài)度一定能夠長久地支持學(xué)生的學(xué)習(xí)、生活和工作[2]。利用現(xiàn)代教育技術(shù)對實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn)得到更準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)結(jié)論，提高了課堂的完整性，何樂而不為呢！

參考文獻(xiàn)：

[1]人民教育出版社教材編寫組.普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書 物理（選修3-1）[M].北京：人民教育出版社，2010.

[2]吳俊杰.用攝像頭和頻閃截頻技術(shù)研究單板運(yùn)動[J].物理教師，2006，27（10）：37-38.endprint