视频分析软件改善物理实验教学
2022-06-08
摘 要：实验是高中物理的基础，教学中经常要通过测量得出物体的运动学参量随时间变化的规律。本文以Tracker软件研究平抛运动规律和验证动量守恒定律为例，展现该软件在这方面的强大功能。另外，该软件还具有成本低、操作简单、易于推广等特点，如果在高中教学中加以利用，有助于学生在探索认识物理世界的同时，更便捷、直观地掌握物理学的基本知识和技能，体验、领悟科学研究方法，建立科学的价值观。
关键词：Tracker软件；平抛运动；动量守恒
中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148（2016）2-0010-2
1 引 言
当今世界人类的生活离不开高科技产品，它使我们的生活变得方便、快捷、丰富多彩，在物理教学方面同样如此。偶然的机会接触到了视频处理软件——Tracker。在实际教学中，人教版必修1物理教材中提到过类似的工具，但没有把它展示给学生，而且可能教师也没有接触过这个软件。笔者经过一段时间的摸索，发现Tracker软件功能强大，物理运动学中的实验基本上都能够很方便地使用这个软件，并且不需要打点计时器、秒表和光电门等实验仪器的辅助。下面将详细介绍该软件，并以一个实验为例，展示其在实验教学中的强大功能。
2 软件使用
打开Tracker软件（如图1所示），选择主菜单的“视频—导入按钮”，将视频加载，通过“视频—剪辑设定”对视频起始帧和终止帧进行设定，并按下列基本步骤进行分析。
1）设定参考坐标。选择“轨迹—坐标轴—显示”建立正交的坐标轴。
2）进行参考尺寸的定标。由于在视频中无法看出真正下落的距离，所以在视频背景中要预先设定已知长度的参照物。
3）选定研究对象。本实验的研究对象是球，选择“轨迹—新建—质点”按钮，创建质点“Mass A”代表球。
4）进行轨迹控制。Tracker轨迹控制的方式有两种：一种是自动追踪，按住Shift+Ctrl键，出现1个圆圈，通过这个圆圈标示出研究的对象，在后面的视频中软件可以自动追踪研究对象的位置。自动追踪容易出现的问题是当视频中的物体运动速度过快时，或者附近有相似颜色的物体时会出现追踪偏差。第二种是自行打点追踪，按住Shift键，出现1个光标，选取皮球上的标示点作为研究点，点击鼠标左键，软件自动记录其位置和当前视频时间，视频会进入到下帧，依次用鼠标点击研究点连续获得其位置随时间的变化。
5）显示图像，依据获取的位置和时间坐标Tracker 可以同步绘制出其位移和速度随时间的变化曲线。
2.1 验证碰撞过程动量守恒实验
实验仪器：气垫导轨、两个碰撞用的小车，iphone6手机、标示清楚的直尺（放于视频的背景中，用于后面定标）、木头垫子两个。用iphone6手机记录下两滑块在气垫导轨上的碰撞过程。滑块1的质量m1=160.1 g，滑块2的质量m2=282.2 g，滑块2在碰撞前速度为零。以下各图展示了实验的情况：
在图2中碰撞前和碰撞后的速度随时间变化的图像都是直线，这表明碰撞前后滑块都是在做匀速直线运动。另外，从图中可以观察到碰撞后的斜率比碰撞前的斜率小，这说明碰撞后滑块的速度比碰撞前小。两条直线应满足函数式：
y=A*t+B。
通过数据拟合得到两条直线的斜率（也就是速度大小），滑块1碰撞前的速度v1=0.467 m/s[如图2（a）中箭头部分所指A的值]，碰撞后的速度v2=0.160 m/s[如图2（b）中箭头部分所指A的值]。
同样的方法可以得到滑块2碰撞后的速度v2=0.504 m/s（如图3中箭头部分所指A的值）。
接下来验证碰撞前后系统的动量是否守恒：
碰撞前系统的总动量
P前=P1前+P2前=0.2822 kg×0.467 m/s+0=
0.131 kg·m/s。
碰撞后系统的总动量
P后=P1后+P2后=0.2822 kg×0.160 m/s+
0.1601 kg×0.504 m/s=0.126 kg·m/s。
结论：在误差允许的范围内系统的机械能守恒，也就是滑块1和滑块2组成的系统碰撞前后总动量守恒。
3 总 结
从以上实验可以看出，Tracker视频分析软件在物理实验教学中有以下几方面的优势。
1）成本低、操作简单、功能强、可简化物理实验。
实验中我们不需要那么多的实验器材，“验证碰撞过程中动量守恒定律”实验中光电门系统也可以舍弃，“描绘物体速度随时间变化的图像”实验中打点计时器、纸带、电源和直尺也不需要，“验证机械能守恒”实验中铁架台、打点计时器、纸带、直尺和电源都不需要。另外，实验操作步骤也简化了，只需要拍摄合格的录像和数据处理这两步。
2）可拓展实验范围和实验选材，使实验更灵活，更贴近生活。
比如，在“探究小车速度随时间变化的规律”实验中，利用Tracker软件可处理真实的汽车在马路上加速启动时速度随时间变化的规律，只需在视频的背景中放置标尺。在讲自由落体运动时，可以用Tracker软件验证其加速度为重力加速度g。
3）学生可以自己设计实验，可以培养学生的科学研究素养。
实验辅助工具的多样化，更有利于学生主动去猜想、设计、实施和完成实验，从而总结得出具有普遍意义的物理规律。由于Tracker成本低、操作简单、功能强，使学生自主实验操作难度降低。这不但可以培养学生分析问题、解决问题的能力，而且更有利于提高学生的科学研究素养。 本文由WWw. dYlW.net提供，第一论文网专业代写论文和论文代写以及教育论文发表服务，欢迎光临dYLW.neT
参考文献：
[1]李玉峰，熊建文，杨友源.视频分析软件在物理实验中的应用[J].实验室研究与探究，2009，28（4）：62—64.
[2]吴肖，朱道云，胡峰，吴福根.利用视频分析软件Tracker 研究皮球的弹跳[J]. 物理实验，2013（7）：40—42.
关键词：Tracker软件；平抛运动；动量守恒
中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148（2016）2-0010-2
1 引 言
当今世界人类的生活离不开高科技产品，它使我们的生活变得方便、快捷、丰富多彩，在物理教学方面同样如此。偶然的机会接触到了视频处理软件——Tracker。在实际教学中，人教版必修1物理教材中提到过类似的工具，但没有把它展示给学生，而且可能教师也没有接触过这个软件。笔者经过一段时间的摸索，发现Tracker软件功能强大，物理运动学中的实验基本上都能够很方便地使用这个软件，并且不需要打点计时器、秒表和光电门等实验仪器的辅助。下面将详细介绍该软件，并以一个实验为例，展示其在实验教学中的强大功能。
2 软件使用
打开Tracker软件（如图1所示），选择主菜单的“视频—导入按钮”，将视频加载，通过“视频—剪辑设定”对视频起始帧和终止帧进行设定，并按下列基本步骤进行分析。
1）设定参考坐标。选择“轨迹—坐标轴—显示”建立正交的坐标轴。
2）进行参考尺寸的定标。由于在视频中无法看出真正下落的距离，所以在视频背景中要预先设定已知长度的参照物。
3）选定研究对象。本实验的研究对象是球，选择“轨迹—新建—质点”按钮，创建质点“Mass A”代表球。
4）进行轨迹控制。Tracker轨迹控制的方式有两种：一种是自动追踪，按住Shift+Ctrl键，出现1个圆圈，通过这个圆圈标示出研究的对象，在后面的视频中软件可以自动追踪研究对象的位置。自动追踪容易出现的问题是当视频中的物体运动速度过快时，或者附近有相似颜色的物体时会出现追踪偏差。第二种是自行打点追踪，按住Shift键，出现1个光标，选取皮球上的标示点作为研究点，点击鼠标左键，软件自动记录其位置和当前视频时间，视频会进入到下帧，依次用鼠标点击研究点连续获得其位置随时间的变化。
5）显示图像，依据获取的位置和时间坐标Tracker 可以同步绘制出其位移和速度随时间的变化曲线。
2.1 验证碰撞过程动量守恒实验
实验仪器：气垫导轨、两个碰撞用的小车，iphone6手机、标示清楚的直尺（放于视频的背景中，用于后面定标）、木头垫子两个。用iphone6手机记录下两滑块在气垫导轨上的碰撞过程。滑块1的质量m1=160.1 g，滑块2的质量m2=282.2 g，滑块2在碰撞前速度为零。以下各图展示了实验的情况：
在图2中碰撞前和碰撞后的速度随时间变化的图像都是直线，这表明碰撞前后滑块都是在做匀速直线运动。另外，从图中可以观察到碰撞后的斜率比碰撞前的斜率小，这说明碰撞后滑块的速度比碰撞前小。两条直线应满足函数式：
y=A*t+B。
通过数据拟合得到两条直线的斜率（也就是速度大小），滑块1碰撞前的速度v1=0.467 m/s[如图2（a）中箭头部分所指A的值]，碰撞后的速度v2=0.160 m/s[如图2（b）中箭头部分所指A的值]。
同样的方法可以得到滑块2碰撞后的速度v2=0.504 m/s（如图3中箭头部分所指A的值）。
接下来验证碰撞前后系统的动量是否守恒：
碰撞前系统的总动量
P前=P1前+P2前=0.2822 kg×0.467 m/s+0=
0.131 kg·m/s。
碰撞后系统的总动量
P后=P1后+P2后=0.2822 kg×0.160 m/s+
0.1601 kg×0.504 m/s=0.126 kg·m/s。
结论：在误差允许的范围内系统的机械能守恒，也就是滑块1和滑块2组成的系统碰撞前后总动量守恒。
3 总 结
从以上实验可以看出，Tracker视频分析软件在物理实验教学中有以下几方面的优势。
1）成本低、操作简单、功能强、可简化物理实验。
实验中我们不需要那么多的实验器材，“验证碰撞过程中动量守恒定律”实验中光电门系统也可以舍弃，“描绘物体速度随时间变化的图像”实验中打点计时器、纸带、电源和直尺也不需要，“验证机械能守恒”实验中铁架台、打点计时器、纸带、直尺和电源都不需要。另外，实验操作步骤也简化了，只需要拍摄合格的录像和数据处理这两步。
2）可拓展实验范围和实验选材，使实验更灵活，更贴近生活。
比如，在“探究小车速度随时间变化的规律”实验中，利用Tracker软件可处理真实的汽车在马路上加速启动时速度随时间变化的规律，只需在视频的背景中放置标尺。在讲自由落体运动时，可以用Tracker软件验证其加速度为重力加速度g。
3）学生可以自己设计实验，可以培养学生的科学研究素养。
实验辅助工具的多样化，更有利于学生主动去猜想、设计、实施和完成实验，从而总结得出具有普遍意义的物理规律。由于Tracker成本低、操作简单、功能强，使学生自主实验操作难度降低。这不但可以培养学生分析问题、解决问题的能力，而且更有利于提高学生的科学研究素养。 本文由WWw. dYlW.net提供，第一论文网专业代写论文和论文代写以及教育论文发表服务，欢迎光临dYLW.neT
参考文献：
[1]李玉峰，熊建文，杨友源.视频分析软件在物理实验中的应用[J].实验室研究与探究，2009，28（4）：62—64.
[2]吴肖，朱道云，胡峰，吴福根.利用视频分析软件Tracker 研究皮球的弹跳[J]. 物理实验，2013（7）：40—42.