利用Tracker改進圓錐擺驗證向心力表達式的實驗

摘 要：利用Tracker軟件影像追蹤功能和量角器工具，分析擺球運動過程中擺角隨時間的變化情況，建立擺角隨時間的變化曲線，生成相應(yīng)數(shù)據(jù)信息，進而驗證向心力表達式。既有效地提高了數(shù)據(jù)測量的準(zhǔn)確性，又簡化物理實驗操作過程。

關(guān)鍵詞：Tracker軟件；圓錐擺；向心力表達式；實驗改進

中圖分類號：G434 文獻標(biāo)識碼：A

雖然教材提供的實驗原理簡單、思路清晰，但實踐后發(fā)現(xiàn)以下不足：①實驗操作困難，用手帶動鋼球運動難以確保小球在水平面內(nèi)做圓周運動；②實驗過程需要測量鋼球的運動周期、鋼球的運動半徑、鋼球質(zhì)量、鋼球距離豎直懸點的高度，測量數(shù)據(jù)多；③數(shù)據(jù)測量較多和數(shù)據(jù)計算量大，造成實驗精度低?；诖?，本文利用Tracker軟件對實驗進行改進。Tracker是針對物理教育而設(shè)計的一個視頻跟蹤分析和建模工具軟件，可以在生活中或課堂上隨時對一段視頻進行定量分析或者建模分析，輸出相應(yīng)的表格和圖像信息[2]，具有高效、準(zhǔn)確、直觀的優(yōu)勢。利用軟件自動追蹤功能實時顯示擺球運動軌跡，結(jié)合軟件量角器工具精確地測量出擺球與豎直方向的夾角，通過數(shù)據(jù)和圖像直觀地反映擺角隨時間的變化情況，可以有效簡化實驗操作，為教師提供了更為便捷的實驗過程。

⑤重復(fù)上述②至④實驗步驟，改變半徑和擺長獲得多組實驗數(shù)據(jù)。

（三）數(shù)據(jù)記錄與處理

按照以上步驟進行實驗，對實驗數(shù)據(jù)進行記錄和處理如表1、表2所示。

三組數(shù)據(jù)分別為不同初始半徑和擺長下的實驗數(shù)據(jù)。實驗結(jié)果表明，改進后相對誤差基本保持在3%以內(nèi)，重力加速度的測量值和真實值基本相等，即通過此方法能有效地驗證向心力表達式。本實驗的系統(tǒng)誤差主要來源于圓錐擺模型本身是否符合要求，擺球是否在同一水平面內(nèi)做圓周運動。偶然誤差主要來自視頻畫面不穩(wěn)定、空氣阻力的影響、部分視頻片段存在殘影造成標(biāo)記不準(zhǔn)確。

四、結(jié)語

利用Tracker軟件對圓錐擺驗證向心力表達式的實驗進行改進，改進后的實驗方法只需要擺好實驗儀器后，拍攝出實驗過程，較難的數(shù)據(jù)分析和選取皆由電腦完成，簡單便捷[4]，極大提高了操作的方便和測量的精確性。

參考文獻：

[1]程蕾.“圓錐擺粗略驗證向心力表達式”的實驗改進[J].中學(xué)物理教學(xué)參考，2021，28（15）：56-57.

[2]閆彩霞，程敏熙.視頻分析軟件Tracker在物理實驗教學(xué)中的應(yīng)用——以“動量守恒定律實驗”的創(chuàng)新改進為例[ J].物理通報，2018，25（7）：69 -72.

[3]張成虎.《用圓錐擺粗略驗證向心力的表達式》實驗的改進[J].湖南中學(xué)物理，2013，5（5）：41+14.

[4]毛佳欣，李盼，余海森等.利用Tracker軟件改進拉伸法測金屬絲的楊氏模量實驗[ J].物理通報， 2022，29（7）：125-128.

（責(zé)任編輯：加順花）