劉婷 彭朝陽(yáng)

摘 要：在用單擺測(cè)重力加速度的實(shí)驗(yàn)中運(yùn)用Tracker軟件實(shí)時(shí)捕捉擺球的運(yùn)動(dòng)情況，得到圖像，并擬合出振動(dòng)方程，得到周期T，根據(jù)單擺的周期公式測(cè)得當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣取?/p>

關(guān)鍵詞：?jiǎn)螖[； 測(cè)重力加速度； 視頻分析； Tracker

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-6148（2016）4-0056-2

單擺測(cè)重力加速度是高中物理中很重要的實(shí)驗(yàn)，其實(shí)驗(yàn)原理是通過(guò)測(cè)出單擺擺長(zhǎng)L和周期T，根據(jù)單擺的周期公式T=2π得出重力加速度。在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)操作中多采用秒表手動(dòng)計(jì)時(shí)來(lái)測(cè)量周期T，為了減小實(shí)驗(yàn)誤差要求至少測(cè)3次30～50個(gè)全振動(dòng)的時(shí)間取平均值。這種方式雖然能培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)肅認(rèn)真、腳踏實(shí)地的實(shí)驗(yàn)作風(fēng)，但測(cè)量時(shí)間長(zhǎng)，機(jī)械重復(fù)，疲勞程度大。而且在實(shí)驗(yàn)中盡管注意力高度集中，由于個(gè)人反應(yīng)時(shí)間的差異導(dǎo)致同學(xué)們測(cè)量結(jié)果之間離散性大。本文從信息技術(shù)與物理教學(xué)整合的角度出發(fā)，應(yīng)用視頻跟蹤分析與建模軟件Tracker捕捉擺球的運(yùn)動(dòng)，得到擺球的振動(dòng)曲線并擬合出振動(dòng)方程，從而得到振動(dòng)周期。這解決了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方法中測(cè)量周期費(fèi)時(shí)，勞動(dòng)強(qiáng)度大，結(jié)果離散性大的問題。

1 Tracker軟件簡(jiǎn)介

Tracker軟件是一款免費(fèi)的視頻跟蹤分析和建模工具軟件，可以手動(dòng)或自動(dòng)跟蹤視頻中對(duì)象的位置、速度和加速度并動(dòng)態(tài)顯示。利用軟件強(qiáng)大的繪圖功能還可以實(shí)時(shí)得到相應(yīng)的圖像。通過(guò)錄制實(shí)驗(yàn)視頻，用軟件對(duì)一段視頻進(jìn)行定量分析，以簡(jiǎn)潔高效的數(shù)據(jù)分析手段揭示物理規(guī)律。這樣大大降低了實(shí)驗(yàn)成本，同時(shí)也可以拓展學(xué)生的視野增強(qiáng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)的興趣和參與度。

2 實(shí)驗(yàn)操作

2.1 視頻的錄制

實(shí)驗(yàn)視頻的錄制可以使用普通攝像頭、數(shù)碼相機(jī)、攝像機(jī)、手機(jī)等設(shè)備。在實(shí)驗(yàn)視頻錄制的過(guò)程中應(yīng)盡量保證鏡頭與實(shí)驗(yàn)平面垂直并穩(wěn)定，建議使用三腳架固定錄制設(shè)備。為了便于軟件準(zhǔn)確捕捉運(yùn)動(dòng)對(duì)象，應(yīng)使用與研究對(duì)象顏色反差大的背景。用圖1所示裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)并錄制視頻。

2.2 視頻分析

啟動(dòng)Tracker軟件，將錄制的實(shí)驗(yàn)視頻導(dǎo)入。用軟件的播放功能對(duì)視頻進(jìn)行回放，確定視頻分析的起始幀和結(jié)束幀。添加直角坐標(biāo)系并將坐標(biāo)原點(diǎn)拖動(dòng)到擺球球心處，如圖2所示。

創(chuàng)建一個(gè)質(zhì)點(diǎn)對(duì)象，按下Ctrl+Shift鍵，將出現(xiàn)的白色圓形光標(biāo)定位到標(biāo)記位置，鼠標(biāo)單擊后將彈出“Autotracker”對(duì)話框。在對(duì)話框中點(diǎn)擊“搜索”，軟件將自動(dòng)追蹤目標(biāo)的位置，并實(shí)時(shí)記錄位移與時(shí)間數(shù)據(jù)，自動(dòng)描繪出位移-時(shí)間圖像（如圖3所示）。數(shù)據(jù)采集完畢，軟件自動(dòng)繪出x-t圖像（如圖4所示）。

2.3 圖像分析及擬合

雙擊x-t圖像進(jìn)入數(shù)據(jù)工具界面，點(diǎn)擊“Analyze”按鈕，勾選“擬合”選項(xiàng)。由于單擺振動(dòng)方程是x=Asin（ωt+φ），所以我們選擇正弦曲線擬合。調(diào)整參數(shù)，使擬合的曲線與圖像重合，從而得到振動(dòng)方程，通過(guò)T=算出單擺的周期。如圖5所示。

3 數(shù)據(jù)分析

實(shí)驗(yàn)中通過(guò)改變擺長(zhǎng)測(cè)出5組數(shù)據(jù)。如表1所示。

4 總 結(jié)

用Tracker軟件分析單擺實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)既可以減小實(shí)驗(yàn)誤差，又可以使學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中不產(chǎn)生厭倦心理，同時(shí)有助于開闊學(xué)生眼界，并從圖像、方程等多種途徑來(lái)分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，使學(xué)生能對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)有更深入的理解。而且Tracker軟件對(duì)視頻拍攝設(shè)備要求不高，能方便師生發(fā)現(xiàn)生活中的物理現(xiàn)象探尋物理規(guī)律，是信息技術(shù)與物理教學(xué)整合的一個(gè)有效的應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：

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（欄目編輯 王柏廬）