居家自主設(shè)計(jì)探究性實(shí)驗(yàn)
——基于Tracker、Python軟件的落體球碰撞能量損失率實(shí)驗(yàn)優(yōu)化

周 坤 李航遠(yuǎn) 孫寶印 徐亞東 呂冬麗

（蘇州大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，江蘇 蘇州 215006）

作為物理實(shí)驗(yàn)課程線上教學(xué)形式之一的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)早已用于物理實(shí)驗(yàn)課程的居家學(xué)習(xí)，其具備物理圖像清晰、操作逼真、設(shè)計(jì)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，［1-2］但仍缺乏實(shí)驗(yàn)操作的代入感，而且物理實(shí)驗(yàn)課程本身更注重動(dòng)手操作能力的培養(yǎng)，只有虛擬操作是難以達(dá)到教學(xué)效果的.為了更好地完成居家教學(xué)任務(wù)，筆者擬嘗試居家自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)作為虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的補(bǔ)充，主要通過(guò)選擇貼近生活的實(shí)驗(yàn)器材（如智能手機(jī)、計(jì)時(shí)器、乒乓球等）完成實(shí)驗(yàn).

智能手機(jī)攜帶的高精度傳感器使居家實(shí)驗(yàn)的精確性得到保證.這些傳感器結(jié)合相應(yīng)的APP可以催生一系列基于智能手機(jī)的居家實(shí)驗(yàn).［3-5］其中，基于落體球的相關(guān)動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)時(shí)有報(bào)道，如喻漫雪等利用Phyphox軟件開展的落體球?qū)嶒?yàn)、［6］曾蓓等利用Tracker軟件研究落體球運(yùn)動(dòng)過(guò)程.［7］上述兩篇文章分別利用Phyphox和Tracker軟件給出了一些落體球基本運(yùn)動(dòng)規(guī)律和結(jié)論.然而細(xì)究其過(guò)程，由于Phyphox軟件在獲取相關(guān)參數(shù)時(shí)，只能將落體球運(yùn)動(dòng)過(guò)程看作理想狀態(tài)，從而忽略了空氣阻力對(duì)運(yùn)動(dòng)過(guò)程造成的影響，而這對(duì)于密度較小的落體球來(lái)說(shuō)影響較大；而曾等利用Tracker軟件雖對(duì)不同小球受空氣阻力影響作定性分析，但仍缺乏空氣阻力的定量計(jì)算.基于以上情況，本文將計(jì)及空氣阻力的影響，利用Tracker和Python軟件（下文稱Tracker擬合法）探究落體球（無(wú)初速釋放）碰撞能量損失率，以期得到更準(zhǔn)確的碰撞能量損失率.

1 利用Tracker擬合法探究落體球碰撞能量損失率實(shí)驗(yàn)思路

1.1 實(shí)驗(yàn)原理

如圖1所示為落體球由某一釋放高度H0處無(wú)初速釋放后，與地面的碰撞情況示意圖.由Phyphox測(cè)量原理可知，［6］只要通過(guò)測(cè)出相鄰碰撞間隔時(shí)間t，即可通過(guò)換算成高度Hn（Hn為第n次碰撞后反彈的高度），進(jìn)而計(jì)算出落體球每次碰撞能量損失率xn，即

圖1 碰撞示意圖

然而上式計(jì)算結(jié)果由于計(jì)入空氣阻力造成的能量損失，從而使得xn比真實(shí)值偏大.落體球在運(yùn)動(dòng)過(guò)程受力如圖2所示，其上升和下降過(guò)程阻力方向相反，當(dāng)計(jì)及空氣阻力時(shí)，上式計(jì)算顯然是不合理的，其碰撞能量損失率xn的計(jì)算應(yīng)通過(guò)第n次碰撞前后的速度來(lái)計(jì)算.其推導(dǎo)過(guò)程如下.

圖2 落體球（乒乓球）受力分析

對(duì)下落過(guò)程中的乒乓球進(jìn)行受力分析（如圖2）.由牛頓第二定律知

式中k為空氣阻尼系數(shù)，分離變量得

由于t=0時(shí)，v=0，物體下落時(shí)間為t時(shí)速度為v.對(duì)（3）式積分處理得下落過(guò)程中速度表達(dá)式

同理可推出上升過(guò)程速度和位移表達(dá)式分別為

上升位移為

碰撞前后能量損失率為

綜上分析只需知道k，t即可計(jì)算出第n次能量損失率xn.

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)思路

實(shí)驗(yàn)中空氣阻尼系數(shù)k為未知量，本實(shí)驗(yàn)中擬通過(guò)Python結(jié)合Tracker軟件獲取的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合得到k.詳細(xì)實(shí)驗(yàn)路徑如圖3所示，將不同高度無(wú)初速釋放的落體球碰撞過(guò)程視頻導(dǎo)入Tracker軟件，讀取若干組上升和下降過(guò)程的釋放高度H、每次上升/下降過(guò)程的時(shí)間t，通過(guò)Python編寫程序擬合阻尼系數(shù)k，利用k、t結(jié)合公式（4）（6）（8）即可計(jì)算出第n次能量損失率xn.

圖3 利用Tracker軟件改進(jìn)實(shí)驗(yàn)的流程圖

2 實(shí)驗(yàn)儀器及步驟說(shuō)明

2.1 實(shí)驗(yàn)儀器

智能手機(jī)（Tracker軟件、Python軟件、Phyphox軟件、攝影功能），乒乓球（質(zhì)量為0.0027kg，直徑40mm），直尺，卷尺，撞擊地面材質(zhì)為大理石，實(shí)驗(yàn)中g(shù)=9.8m/s2.

2.2 視頻拍攝

在一處空白墻面上，以10cm為間隔精確標(biāo)定20cm至70cm高度，用支架將手機(jī)豎直放置并固定，啟用慢動(dòng)作視頻拍攝功能，開始拍攝，將乒乓球在釋放高度H（20/30/40/50/60/70cm）處?kù)o止釋放，待球與地面碰撞次數(shù)達(dá)到4次后，結(jié)束拍攝.注意在拍攝界面中放置一個(gè)正在計(jì)時(shí)的秒表，且確保乒乓球始終完整地出現(xiàn)在視頻中.

2.3 Tracker軟件追蹤乒乓球下落軌跡

（1）將視頻導(dǎo)入手機(jī)Tracker軟件.

（2）利用軟件的功能，以視頻中秒表顯示的時(shí)間為依據(jù)，以釋放小球的質(zhì)心為坐標(biāo)原點(diǎn)，確定乒乓球在各個(gè)時(shí)刻的高度.從而找到乒乓球在碰撞后到達(dá)最高點(diǎn)時(shí)所處的高度H，碰撞后乒乓球到達(dá)最高點(diǎn)所需時(shí)間（或從最高點(diǎn)下降到下一次碰撞前的時(shí)間）t，詳見圖4所示.

圖4

2.4 Phyphox軟件測(cè)量乒乓球某高度自由釋放后第n次碰撞能量損失率xn

為了便于比較實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，本實(shí)驗(yàn)同時(shí)采集了Phyphox軟件測(cè)量的第n次碰撞能量損失率.將乒乓球在釋放高度H（20/30/40/50/60/70cm）處?kù)o止釋放，利用Phyphox軟件分別測(cè)量其第n次碰撞能量損失率xn，實(shí)驗(yàn)方法及數(shù)據(jù)處理詳見文獻(xiàn)［6］，稱其為Phyphox法.

3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

3.1 Python擬合阻尼系數(shù)k

依照實(shí)驗(yàn)原理中公式（5）和（7），計(jì)及空氣阻力情況下，利用Python分別編寫小球下降和上升過(guò)程碰撞地面時(shí)的速度數(shù)值的程序；將Tracker追蹤得到的53組H、t數(shù)據(jù)導(dǎo)入程序，通過(guò)擬合得到下降和上升過(guò)程空氣阻尼系數(shù)k值，取其平均k=3.00×10-3kg/s，該值與代超超等［8］報(bào)道的數(shù)值相近，詳見圖5.

圖5 Python擬合空氣阻尼系數(shù)k值（k=3.00×10-3kg/s）

3.2 利用阻尼系數(shù)k計(jì)算兵乒球某次無(wú)初速釋放后第n次碰撞前后速度v

將乒乓球在高度H處無(wú)初速釋放，基于Tracker追蹤得到第n次下落（或上升）時(shí)間t和阻尼系數(shù)k，利用公式（4）、（6）計(jì)算其第n次碰撞前后速度v，詳見表1.表中v上、v下分別代表上升和下降過(guò)程的最大速度.

表1 不同釋放高度下第n次碰撞前后的最大速度

3.3 乒乓球自高度H無(wú)初速釋放后第n次碰撞能量損失率對(duì)比

圖6所示為Tracker擬合法和Phyphox法得到的乒乓球由高度H無(wú)初速下落后第n次碰撞的能量損失率.通過(guò)對(duì)比，可得出如下結(jié)論：（1）兩種方法均能反映出初始釋放高度與碰撞的能量損失率基本成正相關(guān)的關(guān)系，釋放高度越高，能量損失率越大；（2）由于計(jì)及空氣阻力的影響，Tracker擬合法測(cè)得的碰撞中能量損失率更小更接近真實(shí)值；（3）空氣阻力對(duì)能量損失的影響隨著高度增加而增大，事實(shí)上，對(duì)于乒乓球而言，當(dāng)釋放高度為70cm時(shí)，兩種方法得到其前3次碰撞能量損失率差值分別為3.8%、6.2%、5.4%，因此，當(dāng)采用輕質(zhì)球開展本實(shí)驗(yàn)時(shí)，不可隨意忽略空氣阻力.雖然Tracker擬合法計(jì)及空氣阻力的影響，可以較為精確的計(jì)算出能量損失率，但其在空氣阻尼系數(shù)k、高度H、時(shí)間t的獲得仍有一定誤差，且此方法需要掌握一定的軟件使用技能和編程基礎(chǔ)，對(duì)初學(xué)者仍有一定難度.

圖6 Phyphox法與Tracker擬合法得到的第n次碰撞能量損失率對(duì)比

4 結(jié)論

本文利用Tracker擬合法獲取落體球運(yùn)動(dòng)過(guò)程相關(guān)參數(shù)，進(jìn)而通過(guò)擬合空氣阻尼系數(shù)k探究落體球碰撞能量損失率（計(jì)及空氣阻力）.結(jié)果表明Tracker擬合法可在一定程度上獲得更準(zhǔn)確的落體球碰撞能量損失率，且該方法取材于生活常見物品，易于居家實(shí)現(xiàn)；其次，該方法有利于加深學(xué)生對(duì)真實(shí)落體過(guò)程有更清晰的認(rèn)識(shí)；最后，文中通過(guò)Python編程的數(shù)值計(jì)算結(jié)合理論推導(dǎo)和實(shí)驗(yàn)研究也為學(xué)生探究物理問題提供了一種借鑒，令其對(duì)科學(xué)研究思路有一定了解，并產(chǎn)生一定興趣，對(duì)其今后發(fā)展大有益處.