利用視頻分析軟件Tracker分析“木塊滑板”問(wèn)題

張樹(shù)國(guó) 肖芝清

(無(wú)錫市玉祁高級(jí)中學(xué) 江蘇 無(wú)錫 214183)

1 引言

“木塊滑板”問(wèn)題，是高中物理力學(xué)知識(shí)體系中的典型問(wèn)題，其主要涉及運(yùn)動(dòng)的描述，勻變速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)規(guī)律，牛頓運(yùn)動(dòng)定律，功能關(guān)系及動(dòng)量和動(dòng)量守恒等.解決這一類(lèi)問(wèn)題不僅要進(jìn)行受力和運(yùn)動(dòng)過(guò)程分析，還要畫(huà)出運(yùn)動(dòng)過(guò)程圖、受力分析圖及v-t圖，因而對(duì)學(xué)生的綜合能力有很好的考查功能，成為高考熱點(diǎn).此類(lèi)“木塊滑板”是抽象而乏味的教學(xué)難點(diǎn)，而當(dāng)前教學(xué)中主要靠教師設(shè)計(jì)典型的問(wèn)題，引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行理論分析或者用一題多解的方法[1,2]，效果并不理想.

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2017年版)》中明確指出[3]：“在物理教學(xué)中，應(yīng)讓學(xué)生獲得在實(shí)際情境中解決物理問(wèn)題的大量經(jīng)驗(yàn)，形成把情境與知識(shí)相關(guān)聯(lián)的意識(shí)和能力”.因而創(chuàng)建真實(shí)的“木塊滑板”情境將有利于解決這一教學(xué)難點(diǎn).借助小實(shí)驗(yàn)是一個(gè)有益的嘗試[4]，不足之處是只能定性不能定量.慢速攝像技術(shù)可以將短暫的過(guò)程還原清楚[5]，視頻分析軟件Tracker實(shí)現(xiàn)了物體運(yùn)動(dòng)軌跡的跟蹤和物理量的定量測(cè)量和輸出[6～9]，二者的結(jié)合為真實(shí)的“木塊滑板”問(wèn)題的教學(xué)開(kāi)辟了新的途徑，實(shí)現(xiàn)了在實(shí)際情境中解決物理問(wèn)題.

2 創(chuàng)設(shè)問(wèn)題情境

為了幫助學(xué)生解決好這類(lèi)問(wèn)題，筆者創(chuàng)設(shè)了一個(gè)真實(shí)的“木塊滑板”問(wèn)題，讓學(xué)生直觀(guān)地看到“木塊滑板”的相關(guān)運(yùn)動(dòng)過(guò)程，使學(xué)生在真實(shí)的物理情境中體驗(yàn)并發(fā)現(xiàn)問(wèn)題.

創(chuàng)設(shè)真實(shí)情境如下,如圖1所示，讓重物C用細(xì)線(xiàn)通過(guò)定滑輪拉動(dòng)置于滑板B上的木塊A，滑板B在A(yíng)的摩擦力作用下也向右運(yùn)動(dòng)(二者發(fā)生相對(duì)滑動(dòng))，當(dāng)C著地后，A，B一起減速至滑輪前停止運(yùn)動(dòng).問(wèn)：在剛才的實(shí)際情境中，當(dāng)釋放重物C后木塊A和滑板B分別做什么運(yùn)動(dòng)?

圖1 創(chuàng)設(shè)“木塊滑板”情境示意圖

如圖2所示，用長(zhǎng)木板放置在兩輛小車(chē)上組成滑板，木塊右端通過(guò)細(xì)線(xiàn)繞過(guò)長(zhǎng)條桌邊緣的定滑輪掛著鉤碼C，用手機(jī)拍攝視頻待用.

圖2 創(chuàng)設(shè)“木塊滑板”真實(shí)情境圖

3 運(yùn)用視頻軟件

3.1 定性觀(guān)察和初步分析

將錄制好的實(shí)驗(yàn)視頻導(dǎo)入軟件Tracker的主窗口，確定好起始幀、結(jié)束幀和步長(zhǎng)(起始幀為6，結(jié)束幀為68，步長(zhǎng)為2)，建立坐標(biāo)系并選擇好長(zhǎng)度定標(biāo)如圖3所示.播放視頻，請(qǐng)學(xué)生觀(guān)察木塊、滑板兩物體的運(yùn)動(dòng)，用語(yǔ)言描述其運(yùn)動(dòng)，并畫(huà)出運(yùn)動(dòng)示意圖和v-t圖.

圖3 在Tracker軟件中建立相關(guān)參數(shù)

大部分同學(xué)能將全程分成兩個(gè)過(guò)程，分別是物體C落到地面之前，A在細(xì)線(xiàn)的拉力作用下向右加速，B物體在摩擦力的作用下也向右加速.物體C落地之后，細(xì)線(xiàn)上沒(méi)有了拉力，A和B一起向前減速到零的過(guò)程.那么是不是這樣呢？再次觀(guān)察，利用Tracker軟件的軌跡跟蹤功能，獲得如圖4所示結(jié)果.

下面進(jìn)行更詳細(xì)的討論.

圖4 利用Tracker軟件，獲得的木塊A和滑板B的運(yùn)動(dòng)軌跡

3.2 有拉力作用的過(guò)程

重新設(shè)定觀(guān)察范圍(起始幀為6，結(jié)束幀為32，步長(zhǎng)為2)，如圖5所示，請(qǐng)同學(xué)觀(guān)察木塊和滑板做什么運(yùn)動(dòng).先看木塊的運(yùn)動(dòng)：從v-t圖像上看，可以認(rèn)為是勻加速運(yùn)動(dòng).再看滑板的運(yùn)動(dòng)：從v-t圖像看也是勻加速運(yùn)動(dòng).為什么是勻加速直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)呢？這時(shí)候再分析受力，用牛頓定律解釋.

圖5 有拉力過(guò)程利用Tracker軟件，獲得的木塊A和滑板B的運(yùn)動(dòng)軌跡與v-t圖像

3.3 撤去拉力后到達(dá)共同速度的過(guò)程

重新設(shè)定觀(guān)察范圍(起始幀為32，結(jié)束幀為38，步長(zhǎng)為2).用步進(jìn)的方式仔細(xì)觀(guān)察木塊和滑板的運(yùn)動(dòng)，可以發(fā)現(xiàn)木塊在滑板上還有一段相對(duì)運(yùn)動(dòng)，如圖6所示.

圖6 撤去拉力后達(dá)到共同速度時(shí)利用Tracker軟件，獲得的木塊A和滑板B的運(yùn)動(dòng)軌跡與v-t圖像

最后才共同向前減速.再分析受力，用牛頓定律來(lái)解釋.

3.4 達(dá)到共同速度后的過(guò)程

重新設(shè)定觀(guān)察范圍(起始幀為38，結(jié)束幀為68，步長(zhǎng)為2)，如圖7所示再觀(guān)察.可見(jiàn)二者是保持相對(duì)靜止，一起做勻減速到停止.對(duì)該過(guò)程再分析受力，用牛頓定律解釋.

圖7 達(dá)到共同速度后，利用Tracker軟件，獲得的木塊A和滑板B的運(yùn)動(dòng)軌跡與v-t圖像

3.5 完整的運(yùn)動(dòng)過(guò)程及v-t圖

經(jīng)過(guò)前面的初步觀(guān)察、分段再觀(guān)察和分析，最終得到圖8所示運(yùn)動(dòng)的全過(guò)程，視頻分析軟件得到了真實(shí)的v-t圖像如圖9所示.學(xué)生感受直觀(guān)，理解深刻.

圖8 運(yùn)動(dòng)全過(guò)程示意圖

圖9 利用Tracker軟件獲得的木塊A和滑板B真實(shí)的v-t圖像

4 反思總結(jié)

傳統(tǒng)的木塊滑板教學(xué)中，教師基本都是采用理論分析的方法予以講解，學(xué)生理解起來(lái)比較困難，大部分學(xué)生基本上是一聽(tīng)就懂，一做就錯(cuò)的怪現(xiàn)象.筆者認(rèn)為學(xué)生很大一部分原因是對(duì)木塊滑板模型的過(guò)程認(rèn)識(shí)不清導(dǎo)致的，而物理學(xué)科是一門(mén)以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的特殊學(xué)科，有些物理模型是可以通過(guò)演示實(shí)驗(yàn)來(lái)幫助學(xué)生理解其物理過(guò)程，但是,由于運(yùn)動(dòng)的可視度以及難點(diǎn)的隱蔽性等問(wèn)題，讓實(shí)驗(yàn)者和觀(guān)察者很困惑，即使演示了也看不清主要的物理過(guò)程.如能創(chuàng)設(shè)真實(shí)的情境，利用視頻分析軟件Tracker跟蹤運(yùn)動(dòng)對(duì)象，對(duì)復(fù)雜的、快速的運(yùn)動(dòng)過(guò)程可以分段地慢速再現(xiàn)并自動(dòng)輸出物理量，使復(fù)雜的物理過(guò)程形象化、直觀(guān)化.Tracker軟件應(yīng)用與物理教學(xué)有機(jī)結(jié)合，便可以有效地培養(yǎng)學(xué)生觀(guān)察實(shí)驗(yàn)，構(gòu)建物理模型，應(yīng)用數(shù)學(xué)等工具，通過(guò)科學(xué)推理和論證來(lái)解決問(wèn)題的能力，發(fā)展科學(xué)思維.