用Tracker軟件驗(yàn)證斜拋運(yùn)動(dòng)的機(jī)械能守恒定律①

(福建省泉州市第十一中學(xué)，福建 泉州 362011)

1 引言

高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)不只是理論知識(shí)的傳授，應(yīng)更注重學(xué)生在實(shí)驗(yàn)探究過程中動(dòng)手做、動(dòng)腦思等能力的培養(yǎng)。在高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，如果把信息技術(shù)與教學(xué)中存在的實(shí)驗(yàn)難點(diǎn)進(jìn)行融合，有利于打破現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)儀器、環(huán)境條件和時(shí)空的限制，既豐富了物理實(shí)驗(yàn)的形式，給學(xué)生帶來更直觀的展示，降低了實(shí)驗(yàn)的難度，還能開拓學(xué)生的視野，提高其科學(xué)思維能力。

Tracker軟件作為目前廣泛使用的一種視頻分析軟件，該軟件能實(shí)現(xiàn)對運(yùn)動(dòng)物體的追蹤，獲得研究對象的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，能簡潔、高效地分析數(shù)據(jù)，揭示數(shù)據(jù)背后所隱藏的物理規(guī)律。

2 教材中對機(jī)械能守恒定律驗(yàn)證存在的不足

在很多教材中，“驗(yàn)證機(jī)械能守恒”的實(shí)驗(yàn)裝置都是采用圖1所示的裝置，利用自由落體運(yùn)動(dòng)來驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律。該裝置經(jīng)過一線教師的教學(xué)實(shí)踐和專家、學(xué)者的研究，發(fā)現(xiàn)存在如下問題。

圖1

2.1 實(shí)驗(yàn)誤差大

一是紙帶下落過程中與打點(diǎn)計(jì)時(shí)器間存在摩擦，導(dǎo)致紙帶上的點(diǎn)有拖痕，使實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)存在偏差；二是學(xué)生在釋放紙帶的瞬間，常常因?yàn)槭值亩秳?dòng)造成初速度不為零，影響起始點(diǎn)的選取。

很多一線教師在教學(xué)中常引導(dǎo)學(xué)生對起始點(diǎn)和第n點(diǎn)進(jìn)行分析驗(yàn)證，比較ΔEp和ΔEk的關(guān)系，得出結(jié)論：在誤差允許范圍內(nèi)，機(jī)械能守恒。對于起始點(diǎn)初速度是否為零，教師通常采用的是選擇最初兩點(diǎn)距離接近2mm的紙帶進(jìn)行研究，在實(shí)踐操作中通過反復(fù)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，即使重物下落的初速度不為零，紙帶最初兩點(diǎn)間的距離也可能接近2mm，在數(shù)據(jù)分析時(shí)還會(huì)出現(xiàn)ΔEk大于ΔEp的情況。這會(huì)對學(xué)生造成困惑，一方面是他們不清楚最初兩點(diǎn)間距離接近2mm的緣由，另一方面是重錘下落過程中需克服摩擦力做功，這樣會(huì)導(dǎo)致ΔEk小于ΔEp，與數(shù)據(jù)分析結(jié)果相矛盾。

2.2 花費(fèi)時(shí)間長

學(xué)生要花費(fèi)大量時(shí)間處理繁瑣的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)處理的結(jié)果往往因誤差太大，從而得不到結(jié)論。

2.3 驗(yàn)證范圍小

教材中采用“自由落體運(yùn)動(dòng)”驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律，得出其機(jī)械能守恒條件，不具有普遍性。教材后續(xù)章節(jié)出現(xiàn)了幾種初速度不為零的拋體運(yùn)動(dòng)，對于這些運(yùn)動(dòng)過程中機(jī)械能是否守恒，學(xué)生仍存有疑問。

3 利用Tracker軟件對斜拋運(yùn)動(dòng)的機(jī)械能守恒進(jìn)行驗(yàn)證

3.1 視頻錄制

用智能手機(jī)錄制學(xué)生在課堂上斜拋棒球的視頻，錄制時(shí)保證鏡頭正對學(xué)生，再將視頻同步傳到電腦上。

3.2 視頻處理

打開Tracker軟件，導(dǎo)入學(xué)生斜拋棒球的視頻。利用軟件中的播放功能設(shè)置好要分析視頻的起止幀，設(shè)定坐標(biāo)系，可以用黑板、墻壁作為背景，以竹竿或黑板高作為標(biāo)桿設(shè)定參考尺寸。選定棒球作為研究對象，并視作質(zhì)點(diǎn)，選擇“軌跡—新建—質(zhì)點(diǎn)”按鈕，創(chuàng)建質(zhì)點(diǎn)。按住Ctrl+shift鍵，界面會(huì)顯示圓圈代表棒球位置，此時(shí)周邊虛線框?yàn)橄乱淮钨|(zhì)點(diǎn)可能出現(xiàn)的位置。采用手動(dòng)打點(diǎn)追蹤方式采集多個(gè)數(shù)據(jù)，點(diǎn)擊表格可以增加所需要的物理量數(shù)據(jù)采集(圖2)。

圖2

3.3 數(shù)據(jù)處理

在該實(shí)驗(yàn)中，棒球質(zhì)量不需要測量，只需要提取x、y、v與t的數(shù)據(jù)，將需要的數(shù)據(jù)復(fù)制到Excel中，利用Excel自帶的公式編輯器計(jì)算出小球的動(dòng)能、重力勢能及機(jī)械能的大小，從測量數(shù)據(jù)及其計(jì)算結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)：在實(shí)驗(yàn)誤差允許的范圍內(nèi)，小球的機(jī)械能守恒(表1)。

表1

3.4 實(shí)驗(yàn)改進(jìn)優(yōu)勢

該實(shí)驗(yàn)精簡了實(shí)驗(yàn)裝置，流程也進(jìn)一步簡化，實(shí)驗(yàn)誤差小，增大了課堂信息量，節(jié)約了實(shí)驗(yàn)操作時(shí)間。另外利用該軟件還可以根據(jù)需要描繪出棒球重力勢能、動(dòng)能等其他物理量隨時(shí)間變化的圖像。對于僅有彈力作用下的物體的運(yùn)動(dòng)、平拋運(yùn)動(dòng)、豎直上拋運(yùn)動(dòng)、自由落體運(yùn)動(dòng)等傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，也能通過一部智能手機(jī)、一個(gè)小球和定標(biāo)桿就能在課堂上完成。學(xué)生對此實(shí)驗(yàn)興趣盎然、參與程度高，從而提高了他們學(xué)習(xí)的主動(dòng)性。

4 巧用信息技術(shù)手段 提高物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果

4.1 直觀展示，加深物理規(guī)律的理解

物理學(xué)是以實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的一門自然科學(xué)，但是很多高中生對物理的學(xué)習(xí)大多停留在概念、規(guī)律、公式、結(jié)論的記憶上，這導(dǎo)致學(xué)生對物理實(shí)驗(yàn)的自主設(shè)計(jì)、拓展創(chuàng)新、問題解決等方面還存在較大問題。在物理實(shí)驗(yàn)練習(xí)中，學(xué)生常用“套公式”“背結(jié)論”的手段解答，而不考慮實(shí)驗(yàn)過程。因此在高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，如果能把信息技術(shù)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行有機(jī)融合，在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上適當(dāng)進(jìn)行拓展，可以培養(yǎng)、提升學(xué)生解決問題的能力。比如通過多媒體等信息技術(shù)播放教學(xué)中一些難以演示和觀察的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，如“微觀世界中的分子運(yùn)動(dòng)”“光電效應(yīng)”“天體運(yùn)動(dòng)”“微小形變”“磁場電場分布情況”等，學(xué)生印象深刻，可幫助他們建立豐富的感性認(rèn)識(shí)。

4.2 突破難點(diǎn)，提高實(shí)驗(yàn)探究的實(shí)效性

利用信息技術(shù)手段可以突破實(shí)驗(yàn)教學(xué)的瓶頸，幫助學(xué)生建立物理情景，抓住重點(diǎn)、突破難點(diǎn)，更好地理解物理概念和規(guī)律。利用信息技術(shù)手段可以提高實(shí)驗(yàn)教學(xué)的直觀性和整體效益，特別是在物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的探究環(huán)節(jié)。在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，利用信息技術(shù)手段可以優(yōu)化實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，縮短操作時(shí)間，讓學(xué)生有更多的時(shí)間自主選擇合適的方案進(jìn)行探究活動(dòng)。例如在機(jī)械能守恒定律的實(shí)驗(yàn)中，除了可以驗(yàn)證在重力作用下做自由落體運(yùn)動(dòng)的物體的機(jī)械能守恒，還可以驗(yàn)證只在彈力作用下的物體的運(yùn)動(dòng)、單擺振動(dòng)、拋體運(yùn)動(dòng)中的機(jī)械能守恒。

5 結(jié)語

信息技術(shù)與物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的深度融合已成為當(dāng)前教育發(fā)展的一種趨勢，這樣的融合既彌補(bǔ)了傳統(tǒng)教學(xué)中的不足，提供了豐富的教學(xué)資源，又可以對很多在課堂中無法做到的實(shí)驗(yàn)操作進(jìn)行演示，不僅提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，豐富了學(xué)生的物理實(shí)驗(yàn)知識(shí)，而且還有助于突破實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的難點(diǎn)，為提高高中物理教學(xué)質(zhì)量與效率提供堅(jiān)實(shí)的保障。