手機(jī)Vernier Video Physics App在物理實(shí)驗(yàn)探究中的應(yīng)用

唐佳鈺 鄭淵方 張德培

摘? ?要：信息技術(shù)與物理教學(xué)的融合是當(dāng)今物理教育的熱點(diǎn)。利用手機(jī)Vernier Video Physics App研究自由落體運(yùn)動(dòng)和單擺運(yùn)動(dòng)，對小球進(jìn)行逐幀追蹤定位，實(shí)時(shí)創(chuàng)建出小球做自由落體運(yùn)動(dòng)及單擺運(yùn)動(dòng)的相關(guān)運(yùn)動(dòng)圖像并進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合，簡便、高效、直觀地揭示物體運(yùn)動(dòng)規(guī)律，促進(jìn)學(xué)生對物理概念和規(guī)律的理解，為教師輔助傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)及學(xué)生課外自主探究提供了有力工具。

關(guān)鍵詞：Vernier Video Physics;視頻分析;實(shí)驗(yàn)探究

1? 引言

隨著科技的迅猛發(fā)展，信息技術(shù)早已與我們的生產(chǎn)生活密不可分?！镀胀ǜ咧形锢碚n程標(biāo)準(zhǔn)（2017版）》在教學(xué)建議中提出，要“重視科學(xué)探究能力的培養(yǎng)和信息技術(shù)的應(yīng)用：要設(shè)計(jì)各種學(xué)習(xí)活動(dòng)讓學(xué)生利用信息技術(shù)提升物理學(xué)習(xí)能力，例如利用手機(jī)等信息技術(shù)工具便捷地解決某些物理學(xué)習(xí)問題。”[ 1 ]，在當(dāng)今時(shí)代背景下，信息技術(shù)已逐步走進(jìn)物理課堂，利用手機(jī)傳感器、手機(jī)視頻分析App等新興信息技術(shù)工具能夠便捷地解決物理實(shí)驗(yàn)中的一些問題，從而改進(jìn)物理教學(xué)效果，更好地發(fā)展學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)。

Vernier Video Physics是Vernier Software&Technology公司開發(fā)的一款手機(jī)視頻分析App，該App利用手機(jī)拍攝物體運(yùn)動(dòng)的視頻，通過對視頻畫面的定標(biāo)，對研究對象進(jìn)行逐幀的自動(dòng)或手動(dòng)追蹤定位，實(shí)時(shí)創(chuàng)建出物體運(yùn)動(dòng)軌跡曲線圖及物體在x、y方向的位移和速度隨時(shí)間變化的圖像，同時(shí)可根據(jù)需要將數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合得到速度、加速度等物理量。Vernier Video Physics App以手機(jī)為載體，能夠隨時(shí)隨地在手機(jī)上完成拍攝物體運(yùn)動(dòng)視頻并直接量化分析的一體化操作。它以簡便的操作步驟，高效直觀地揭示物體運(yùn)動(dòng)背后所隱藏的物理規(guī)律，且具有數(shù)據(jù)精確和成本低易于推廣等優(yōu)勢，為研究二維運(yùn)動(dòng)學(xué)提供了極大的便利。同時(shí)信息化的實(shí)驗(yàn)方式有利于激發(fā)學(xué)生的探究欲望，拓展學(xué)生視野，培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用信息化手段處理物理問題的能力，提升學(xué)生的科學(xué)探究水平。本文主要以自由落體運(yùn)動(dòng)和單擺運(yùn)動(dòng)為例，介紹手機(jī)Vernier Video Physics App在物理實(shí)驗(yàn)探究中的應(yīng)用。

2? 利用Vernier Video Physics進(jìn)行物理實(shí)驗(yàn)探究

2.1? 探究自由落體運(yùn)動(dòng)

利用Vernier Video Physics探究自由落體運(yùn)動(dòng)具體分為以下幾個(gè)方面。

（1）實(shí)驗(yàn)器材

安裝有Vernier Video Physics的手機(jī)、小鋼球、三腳架。

（2）視頻拍攝

使用智能手機(jī)拍攝一段小鋼球做自由落體運(yùn)動(dòng)的視頻（幀率為60fps）。拍攝時(shí)需注意幾個(gè)事項(xiàng)：第一，應(yīng)使用三腳架固定手機(jī)以保持拍攝畫面的穩(wěn)定性，且鏡頭軸向應(yīng)與小鋼球運(yùn)動(dòng)平面垂直;第二，選取與小鋼球顏色對比度較高的白色墻面作為背景，有利于后續(xù)對物體的自動(dòng)追蹤;第三，為保證錄制的運(yùn)動(dòng)視頻中物體不產(chǎn)生“拖影”，可在錄制時(shí)將拍攝幀率調(diào)高，同時(shí)增加手機(jī)攝像頭的快門速度，一般快門速度為1/500 s左右即可使每幀畫面中的物體清晰不“拖影”，從而更易于后續(xù)的定位分析。

（3）軟件操作步驟

①導(dǎo)入視頻

將拍攝好的視頻導(dǎo)入到Vernier Video Physics中，對視頻進(jìn)行剪輯以獲取所需的運(yùn)動(dòng)分析片段。

②對視頻畫面進(jìn)行定標(biāo)和設(shè)置坐標(biāo)軸

使用已知尺寸的物體來設(shè)置視頻畫面與真實(shí)場景的縮放比例。在本次實(shí)驗(yàn)中選取小鋼球的直徑（2 cm）作為標(biāo)尺，如圖1所示，點(diǎn)擊“Origin&Scale”，將定標(biāo)尺的兩端分別置于小鋼球的直徑兩端，并將直徑（0.02 m）輸入框中;為了便于研究，我們將坐標(biāo)軸的原點(diǎn)移動(dòng)至小鋼球的球心處，建立坐標(biāo)軸。坐標(biāo)軸還可根據(jù)不同實(shí)驗(yàn)的需要來調(diào)整角度。

③逐幀追蹤研究對象

點(diǎn)擊“Points”，將追蹤圓環(huán)的十字準(zhǔn)心移動(dòng)至球心處，點(diǎn)擊圓心來標(biāo)記此時(shí)位置。移動(dòng)縮放滑塊以更改追蹤圓環(huán)的大小使其恰好包裹住小鋼球，點(diǎn)擊“Track”，軟件將自動(dòng)追蹤小球的位置。如圖2所示，標(biāo)記了小球在運(yùn)動(dòng)過程中的每一幀位置的一系列點(diǎn)跡呈現(xiàn)于畫面中，可在一定程度上代替頻閃圖。

④圖像分析及擬合

數(shù)據(jù)采集完畢后，點(diǎn)擊右上角的圖表標(biāo)志，查看小鋼球做自由落體運(yùn)動(dòng)的y-t圖像及v-t圖像如圖3所示。由圖像可以看出，小鋼球在豎直方向上的位移隨時(shí)間變化的圖像為拋物線;在誤差允許的范圍內(nèi)，小鋼球做的是初速度為零，速度均勻增大的勻加速直線運(yùn)動(dòng)。

利用數(shù)據(jù)分析軟件，對圖像進(jìn)行進(jìn)一步的擬合分析，計(jì)算出小鋼球做自由落體運(yùn)動(dòng)時(shí)重力加速度。將數(shù)據(jù)直接導(dǎo)入至同公司開發(fā)的Vernier Graphical Analysis App中，對小鋼球的y-t圖像進(jìn)行二次方程式擬合，如圖4所示，得到擬合方程為y=-5.077t2-0.0307t（常數(shù)項(xiàng)忽略不計(jì)）。對二次項(xiàng)系數(shù)取絕對值a'=5.077 m/s2，結(jié)合勻加速直線運(yùn)動(dòng)的一般公式：y=v0t+■at2，對比可得物體下落時(shí)的加速度a=2a'=10.154 m/s2，相比于重力加速度的理論值g=9.8 m/s2，相對誤差為3.61%。

對v-t圖像進(jìn)行線性擬合，如圖5所示，得到的擬合方程為v=-9.749t-0.09984，r=-0.999，說明線性擬合效果較好。擬合方程斜率為-9.749，可得物體下落時(shí)的加速度為9.749 m/s2，與重力加速度理論值的相對誤差僅為0.52%。

課堂上還可多次分析其他例如橡皮、硬幣、木球等物體的運(yùn)動(dòng)視頻，引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)這些物體下落時(shí)的加速度都大致相等，從而可在此基礎(chǔ)上引入重力加速度的概念。通過Vernier Video Physics視頻分析，使學(xué)生基于真實(shí)世界的運(yùn)動(dòng)視頻自主構(gòu)建對自由落體運(yùn)動(dòng)概念和規(guī)律的理解，直觀揭示了自由落體運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律：初速度為零的勻加速直線運(yùn)動(dòng)，重力加速度為9.8 m/s2。

2.2? 探究單擺運(yùn)動(dòng)

利用Vernier Video Physics探究單擺運(yùn)動(dòng)在視頻拍攝與軟件操作的過程同上文探究自由落體運(yùn)動(dòng)大致類似，因此在這里僅做簡要說明。在擺角<5°，擺長l=61 cm的條件下，錄制一段擺球擺動(dòng)的視頻并導(dǎo)入軟件中，將坐標(biāo)原點(diǎn)設(shè)置于擺球球心的平衡位置處，y軸與擺線重合。依次對畫面進(jìn)行定標(biāo)、自動(dòng)追蹤后，得到擺球的運(yùn)動(dòng)點(diǎn)跡如圖6所示，擺球的x-t、v-t圖像如圖7所示。

由x-t圖像容易看出，擺球的運(yùn)動(dòng)符合簡諧運(yùn)動(dòng)的規(guī)律。由v-t圖像可知擺球在平衡位置處速度最大，在位移最大處速度最小。在傳統(tǒng)教學(xué)中將單擺的回復(fù)力寫成F=-kx的形式來證明單擺做的是簡諧運(yùn)動(dòng)，該種理論方法不夠直觀，而利用Vernier Video Physics分析得到的x-t圖像則直觀證明了單擺做的是簡諧運(yùn)動(dòng)，同時(shí)與v-t圖像結(jié)合亦容易看出擺球在特殊位置處速度與位移之間的關(guān)系。在教學(xué)中將理論方法與視頻分析技術(shù)得到的運(yùn)動(dòng)圖像相結(jié)合分析，有利于促進(jìn)學(xué)生對單擺簡諧運(yùn)動(dòng)規(guī)律的直觀認(rèn)識與理解。

對單擺的x-t圖像進(jìn)行正弦擬合，得到擬合后的簡諧振動(dòng)方程式如圖8所示，x=0.03562 sin（4.018t+6.152）（常數(shù)項(xiàng)忽略不計(jì)），ω=4.018 rad/s，計(jì)算得周期T=■≈1.564 s。由單擺的周期公式T=2π■得g=■=9.845 m/s2，與重力加速度理論值的相對誤差為0.46%。利用Vernier Video Physics逐幀定位擺球位置，較為精確地計(jì)算出單擺周期，使計(jì)算得到的重力加速度誤差較小。

實(shí)驗(yàn)中還可利用控制變量法，多次改變擺長，探究單擺周期與擺長的定量關(guān)系;多次改變擺球質(zhì)量或擺角，分別探究單擺周期與擺球質(zhì)量或擺角的關(guān)系。

3? 結(jié)語

利用手機(jī)Vernier Video Physics App進(jìn)行物理實(shí)驗(yàn)探究，對研究對象進(jìn)行逐幀追蹤定位，實(shí)時(shí)創(chuàng)建物體運(yùn)動(dòng)圖像并對其進(jìn)行量化分析，簡便、高效、直觀地揭示了物體運(yùn)動(dòng)規(guī)律，在一定程度上減小了實(shí)驗(yàn)誤差，且成本低，易推廣，是輔助傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)探究的重要手段。對于學(xué)生而言，軟件的應(yīng)用使學(xué)生能夠基于來源于真實(shí)世界的視頻自主構(gòu)建對物理知識的理解，幫助學(xué)生在頭腦中形成直觀的物理模型和物理過程，促進(jìn)學(xué)生對物理概念和規(guī)律的理解;對于教師而言，軟件的應(yīng)用為中學(xué)物理教師提供一種新型、有效的教學(xué)方式，幫助教師有效突破教學(xué)重難點(diǎn)，提升教師信息化教學(xué)的能力。

教師可在學(xué)生完成傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，引導(dǎo)學(xué)生充分利用手機(jī)的便捷性，通過Vernier Video Physics App在課后進(jìn)行自主實(shí)驗(yàn)探究，對生活中常見的運(yùn)動(dòng)如投籃、過山車、汽車勻加速啟動(dòng)階段、蹦極等場景，或習(xí)題中重要的物理模型如“板塊運(yùn)動(dòng)”等拍攝視頻并分析、抽象出各種運(yùn)動(dòng)的本質(zhì)特征，在自主探究中加深對所學(xué)物理概念和規(guī)律的理解，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和探究欲望，培養(yǎng)學(xué)生利用信息化手段處理物理問題的能力，從而更好地發(fā)展學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)。

參考文獻(xiàn)：

[1]中華人民共和國教育部. 普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017版）[S]. 北京：人民教育出版社，2018.