基于 Vernier Video Physics 軟件的物理實驗探究

肖炳茹　馮潔　李紅梅

［摘 要］智能手機的飛速發(fā)展和智能手機APP的不斷更新對當今社會的各個方面都產(chǎn)生了深遠的影響。與此同時，智能手機APP也逐漸被引入課堂教學中，為學生提供了自主學習的機會，也使物理實驗教學模式發(fā)生了巨大的改變，成了廣大教育者關(guān)注的熱點。利用Vernier Video Physics軟件和Vernier Graphical Analysis軟件，再結(jié)合平拋運動實驗儀，對小鋼球的運動軌跡進行逐幀追蹤定位，得到小鋼球做平拋運動的[y-x]圖像、[x-t]圖像、[y-t]圖像和[vy-t]圖像，再對圖像進行相應函數(shù)擬合，經(jīng)過數(shù)據(jù)分析，得到小鋼球做平拋運動在水平方向和豎直方向的運動特點。利用智能手機APP輔助高中物理實驗教學可以激發(fā)學生的學習興趣，幫助學生理解物理概念和規(guī)律，使學生積極主動地參與到實驗中來，培養(yǎng)他們的動手能力，提升他們的實驗素養(yǎng)。

［關(guān)鍵詞］Vernier Video Physics軟件；Vernier Graphical Analysis軟件；平拋運動；視頻分析；智能手機

［中圖分類號］? ? G633.7? ? ? ? ［文獻標識碼］? ? A? ? ? ? ［文章編號］? ? 1674-6058（2023）23-0050-05

《普通高中物理課程標準（2017年版2020年修訂）》中強調(diào)：現(xiàn)代信息技術(shù)在獲取證據(jù)、描述和解釋實驗數(shù)據(jù)的含義方面發(fā)揮著重要作用，應該把信息素養(yǎng)的提升作為科學探究能力培養(yǎng)的重要內(nèi)容，鼓勵學生利用手機等信息技術(shù)工具的便捷性去解決某些物理學習問題或解決用常規(guī)方法難以實現(xiàn)的疑難實驗問題［1］。

平拋運動是曲線運動中比較典型的一種運動，在高中物理運動學中占據(jù)著非常重要的地位，也是學生難以理解的一種運動模型。在傳統(tǒng)實驗教學中，探究平拋運動的特點共有四種方法。（1）平拋豎落儀法，此法操作簡便，可實現(xiàn)平拋運動的小球和自由落體運動的小球同時釋放，但由于運動時間短，因此兩球落地的先后順序較難觀察。（2）細水柱法，此法能保證初速度水平、水柱細，這樣軌跡就易確定，但受空氣阻力等的影響，水柱軌跡容易變形，長度有限，處理不方便。（3）平拋運動實驗儀法，此法簡單、方便，但利用復寫紙確定物體運動的軌跡點，誤差較大。（4）頻閃照相法，在保證初速度水平的前提下，用數(shù)碼照相機連續(xù)拍照，效果較為理想，圖像準確，但將不同圖片合一需要較復雜的計算機技術(shù)支持。

合理的實驗設(shè)計應兼顧安全、成功率高、儀器簡單易操作、誤差小、效率高、可重復性強等。通過分析不同的方案并結(jié)合學生的特點，本實驗決定利用智能手機中的視頻分析軟件Vernier Video Physics和數(shù)據(jù)分析軟件Vernier Graphical Analysis，再結(jié)合平拋運動實驗儀進行探究。針對傳統(tǒng)的實驗案例，采用新的實驗方法，不僅能夠激發(fā)學生的學習動機，還能提高教學效率。

一、軟件介紹和軟件操作步驟

（一）軟件介紹

Vernier Video Physics和Vernier Graphical Analysis兩款智能手機軟件都是由Vernier Software& Technology公司開發(fā)的。其中Vernier Video Physics是一款具有視頻分析功能的軟件［2］。運用智能手機錄制一段物體運動的視頻，將錄制好的視頻導入Vernier Video Physics軟件中，對需要研究的物體進行自動或手動的追蹤定位，通過軟件就能把物體的運動軌跡清晰地呈現(xiàn)出來［3］。Vernier Graphical Analysis是一款具有數(shù)據(jù)分析功能的軟件。將在Vernier Video Physics軟件中得到的物體運動軌跡的圖像導入Vernier Graphical Analysis軟件中，就可以得到物體運動的[x-t]圖像和[v-t]圖像，還可以根據(jù)實際情況在軟件中對圖像進行函數(shù)擬合，方便分析和研究；點擊功能按鈕就可以得到物體運動的數(shù)據(jù)表，可以從中提取需要的數(shù)據(jù)進行研究。這款軟件對Vernier Video Physics軟件具有輔助作用，能進一步分析出物體的運動規(guī)律。

總之，運用智能手機中的視頻分析軟件和數(shù)據(jù)分析軟件進行實驗探究，不僅能讓學生直觀地看到物體運動的軌跡，體會對物理現(xiàn)象進行真實探究的樂趣，還能完成傳感器無法進行的探究實驗，比如投籃運動等。除此之外，學生還可以隨時隨地對物體運動的視頻進行分析，從圖像中就可以直觀地看出物體運動的規(guī)律。

（二）軟件操作步驟

1.把需要分析的視頻導入手機軟件中

首先，利用智能手機把物體的運動過程錄制下來，然后打開 Vernier Video Physics軟件，點擊“Choose Existing”功能按鈕，再將錄制好的需要分析的物體運動視頻導入Vernier Video Physics軟件中。此次實驗以導入小鋼球做平拋運動的視頻（如圖1）為例。

2.對物體運動的畫面定標和創(chuàng)建坐標軸

首先，在視頻分析軟件中對運動對象進行定標和創(chuàng)建坐標軸，通過逐幀追蹤后得到物體的運動軌跡圖，再將物體的運動軌跡圖以文件的形式導入Vernier Graphical Analysis軟件中就可以得到物體速度和位移隨時間變化的圖像。本實驗以直徑為2 cm的小鋼球為對象進行定標，點擊“Origin& Scale”按鈕，拖動兩個比例尺定位圓，使之定位在小鋼球直徑的兩端，再輸入小鋼球的實際尺寸（0.02 m），并將小鋼球的拋出點設(shè)置為坐標原點，向右為正方向（如圖2）。除此之外，還可以根據(jù)物體運動的實際情況旋轉(zhuǎn)坐標系的方位。

坐標系建好后，可單擊縮放按鈕將縮放圓的十字中心手動拖動到對象的中心，然后單擊對象中心以標記對象當時的位置，再移動定位對象的比例圓，并跟蹤對象的移動，以便準確追蹤物體的運動軌跡。最后單擊“軌跡”按鈕，對小鋼球的運動軌跡進行逐幀追蹤（如圖3）。

3.圖像分析及擬合

實驗中，可使用Vernier Video Physics軟件收集物體運動過程中的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)存儲在手機文件中［6］。打開軟件，單擊右上角的圖像按鈕，可以獲得對象移動的[y-x]圖像、[x-t]圖像、[y-t]圖像和[vy-t]圖像，就能從中分析物體的運動規(guī)律。以直徑為2 cm的小鋼球做平拋運動為例，小鋼球運動的[y-x]圖像如圖4所示，[x-t]圖像、[y-t]圖像和[vy-t]圖像如圖5所示。

打開Vernier Graphical Analysis軟件，點擊“選擇文件”按鈕，將之前保存在手機文件中的實驗數(shù)據(jù)導入其中，就可以得到物體在水平方向和豎直方向的[x-t]圖像和[v-t]圖像［6］；點擊右上角的功能按鈕，就會顯示數(shù)據(jù)表，能直接從數(shù)據(jù)表中獲取必要的數(shù)據(jù)，既方便又快捷。除此之外，軟件還能根據(jù)實際情況，擬合需要分析的圖像對應的函數(shù)。

二、探究平拋運動實驗的特點

（一）實驗器材和裝置

安裝有Vernier Video Physics軟件和Vernier Graphical Analysis軟件的智能手機、直徑為2 cm的小鋼球、手機支架、平拋運動實驗儀。

（二）進行實驗和記錄數(shù)據(jù)

1.探究平拋運動在豎直方向上的運動特點

首先，把平拋運動實驗儀上的水準泡調(diào)整至水平儀的中間，使整個實驗儀器與桌面保持水平；其次，將平拋運動實驗儀接通電源，打開開關(guān)，把小鋼球吸在上軌道的電磁鐵處，讓小鋼球處于靜止狀態(tài)；最后，關(guān)閉電磁鐵的控制開關(guān)，讓小鋼球脫離軌道做平拋運動，對小鋼球的運動軌跡進行分析。這個過程可進行多次實驗并記錄函數(shù)表達式，函數(shù)表達式如表1所示。

以直徑為2 cm的小鋼球第一次做平拋運動的[y-x]圖像、[y-t]圖像、[vy-t]圖像擬合為例，擬合結(jié)果如圖6、圖7、圖8所示。

由圖6經(jīng)過二次函數(shù)擬合后的[y-x]圖像可以看出小鋼球的運動軌跡是一條拋物線，其拋物線函數(shù)為[y=-92.8x2+0.0796x-0.0001466]，可以從中直觀地看出平拋運動的軌跡。

由圖7經(jīng)過二次函數(shù)擬合后的[y-t]圖像可以看出小鋼球在豎直方向上的[y-t]圖像是一條拋物線，擬合后的拋物線函數(shù)為[y=-4.992t2-0.4882t+0.06939]，其中，一次項系數(shù)[b]與常數(shù)項[c]不為零的原因是坐標原點沒有嚴格地選取為小鋼球平拋運動的拋出點。根據(jù)自由落體運動規(guī)律h=?gt2，可知小鋼球在豎直方向[g=4.992×2 m/s2=9.984 m/s2]，得到小鋼球在豎直方向上做自由落體運動。

由圖8經(jīng)過一次函數(shù)擬合后的[vy-t]圖像可以看出小鋼球在豎直方向上的[vy-t]圖像是一條傾斜的直線，擬合后的一次函數(shù)為[vy=-9.899t-0.4135]，常數(shù)項 [b]不為零的原因是坐標原點沒有嚴格地選取為小鋼球平拋運動的拋出點。同理，根據(jù)自由落體運動規(guī)律[vy=gt]，可知小鋼球在豎直方向[g=9.899 m/s2]，這與圖7小鋼球做平拋運動的[y-t]圖像分析結(jié)果相符，得到小鋼球在豎直方向上做自由落體運動。

以當?shù)刂亓铀俣鹊睦碚撝禐閇9.8 m/s2]為例，由自由落體運動規(guī)律得出表1中[y-t]函數(shù)的[g]值的相對誤差為1.88%～3.51%，[vy-t]函數(shù)的[g]值的相對誤差為1.01%～2.65%。因此由表1數(shù)據(jù)可以得出結(jié)論：做平拋運動的小鋼球在豎直方向的分運動為自由落體運動［5］。

2.探究平拋運動在水平方向上的運動特點

首先，把平拋運動實驗儀上的水準泡調(diào)整至水平儀的中間，使整個實驗儀器與桌面保持水平；其次，使小鋼球下落高度、初始位置相同，讓小鋼球從同一位置、同一高度脫離軌道做平拋運動，對小鋼球的運動軌跡進行分析，在表格中記錄下一次函數(shù)擬合后的[x-t]函數(shù)表達式；再次，保持初始位置相同，多次改變小鋼球下落的高度，讓小鋼球從同一位置、不同高度做平拋運動，對小鋼球的運動軌跡進行分析，在表格中記錄下一次函數(shù)擬合后的[x-t]函數(shù)表達式；最后，保持下落高度相同，多次改變小鋼球下落的初始位置，讓小鋼球從不同位置、同一高度做平拋運動，對小鋼球的運動軌跡進行分析，在表格中記錄下一次函數(shù)擬合后的[x-t]函數(shù)表達式。重復上述步驟，進行多次實驗，記錄的函數(shù)表達式如表2所示。

以直徑為2 cm的小鋼球從同一位置、同一高度脫離軌道第一次做平拋運動的[x-t]圖像的擬合為例，擬合結(jié)果如圖9所示。

由圖9經(jīng)過一次函數(shù)擬合后的[x-t]圖像可以看出小鋼球在水平方向上的[x-t]圖像是一條傾斜的直線，擬合后的一次函數(shù)為[x=2.597t-0.03741]，常數(shù)項[b]不為零的原因是坐標原點沒有嚴格地選取為小鋼球平拋運動的拋出點，根據(jù)勻速直線運動規(guī)律[s=vt]，可知小鋼球在沿[x]軸方向即水平方向上做速度為[2.597 m/s]的勻速直線運動［4］。

進行了多次實驗后對[x-t]圖像進行一次函數(shù)擬合，得到了如表2所示的[x-t]函數(shù)表達式。從表2中可以直觀地看出，在小鋼球做平拋運動時，無論是“使小鋼球下落高度和初始位置相同”“初始位置相同，多次改變小鋼球下落高度”，還是“下落高度相同，多次改變小鋼球下落的初始位置”，其在水平方向上運動的[x-t]圖像都滿足勻速直線運動的規(guī)律。因此根據(jù)勻速直線運動的規(guī)律可以得出結(jié)論：做平拋運動的小鋼球在水平方向的分運動為勻速直線運動。

（三）實驗注意事項

在實驗過程中應該注意以下幾點：

（1）實驗前應先把平拋運動實驗儀上的水準泡調(diào)整至水平儀的中間，使整個實驗儀器與桌面保持水平。

（2）實驗中必須調(diào)整斜槽末端的切線水平，調(diào)整方法是將小球放在斜槽末端水平部分，若小球靜止，則斜槽末端水平。

（3）小鋼球每次必須從斜槽上同一位置滾下。

（4）先用手機支架固定好手機，再進行錄像，以保證視頻畫面的穩(wěn)定性。

（5）在錄制視頻的過程中可以選擇慢動作錄制，避免小球在視頻中形成重影，影響標記。

（6）在錄制視頻時應先點擊“開始錄制”按鈕，再斷開電磁鐵的控制開關(guān)。

（7）應進行多次重復實驗，以減小實驗誤差。

（四）分析總結(jié)

由以上兩個探究實驗可以得出結(jié)論：平拋運動在豎直方向的分運動為自由落體運動，在水平方向的分運動為勻速直線運動。利用智能手機中的軟件Vernier Video Physics和Vernier Graphical Analysis來探究平拋運動的特點，不僅可以加深學生對平拋運動規(guī)律的理解，強化學生對函數(shù)圖像知識的運用，還能讓學生體會到運用數(shù)學知識解釋物理現(xiàn)象的樂趣。在傳統(tǒng)的實驗教學中采用新的實驗方法，能夠改變學生“做實驗不如講實驗，講實驗不如背實驗”的荒謬想法。

總之，智能手機具有一定的開放性和實用性，不僅能夠用來獲取信息咨訊，而且可以進行物理實驗、記錄數(shù)據(jù)，對物體的運動軌跡進行分析。而且智能手機有很強的便攜性，不僅能隨身攜帶，而且不受時間和空間的限制，能很好地滿足學生學習物理知識和獲取信息的需要。把智能手機中的視頻分析軟件Vernier Video Physics和數(shù)據(jù)分析軟件Vernier Graphical Analysis相結(jié)合進行實驗，能夠完成一些傳感器無法完成的實驗，例如跟蹤飛行中的籃球和投擲出去的鉛球等。這些軟件還具有分析快速且易于重復觀察的特點，因此學生能夠立即對所收集的數(shù)據(jù)進行分析，從而進行批判性思考。

總之，以智能手機APP輔助高中物理實驗教學是數(shù)字化教育發(fā)展的必然要求。物理實驗在高中階段具有較強的實踐性和應用性，同時也是高考考查的重要內(nèi)容。將智能手機APP融入物理實驗教學中，能夠改變傳統(tǒng)的實驗教學現(xiàn)狀，能夠活躍教師和學生設(shè)計實驗方案的思路，能夠提高學生的實驗操作能力。同時，智能手機APP在物理實驗中的使用，不僅能夠讓實驗現(xiàn)象可視化，而且還能為學生在課后開展自主探究實驗提供平臺。

［? ?參? ?考? ?文? ?獻? ?］

［1］? 中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標準：2017年版2020年修訂［M］.北京：人民教育出版社，2020.

［2］? 周勇，樊青遠.Vernier視頻分析軟件在物理教學中的應用［J］.中學物理教學參考，2018（24）：44-45.

［3］? 唐佳鈺，鄭淵方，張德培.手機Vernier Video Physics App在物理實驗探究中的應用［J］.中學理科園地，2021（6）：75-77.

［4］? 李基正，謝曾珍，葉澤波，等.基于Vernier Video Physics軟件研究拋體運動［J］.實驗教學與儀器，2022（4）：48-50.

［5］? 李悅童，葉文佳，張軼炳.利用二維運動傳感器探究平拋運動特點的實驗設(shè)計［J］.物理通報，2023（3）：101-106.

［6］? 肖炳茹，肖朝暉，李紅梅.基于Vernier Video Physics軟件的物理實驗探究：以“探究影響單擺周期的因素”為例［J］.中學物理，2022（17）：46-49.

（責任編輯 易志毅）