吳宏偉

摘 要：本文利用Tracker軟件的自動追蹤功能和數(shù)據(jù)分析工具對一維碰撞的實驗視頻進行分析，驗證了在彈性碰撞過程中系統(tǒng)的動量、動能守恒，在非彈性碰撞過程中系統(tǒng)的動量守恒。

關(guān)鍵詞：Tracker軟件；動量守恒；彈性碰撞；機械能守恒

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A 文章編號：1003-6148（2017）4-0074-3

1 引 言

動量守恒定律實驗多數(shù)版本的高中物理教材采用氣墊導軌和光電計時器，利用光電計時器測量滑塊碰撞前后的速度。而本文利用Tracker軟件的自動追蹤功能，有效地跟蹤參與一維碰撞兩個滑塊的運動軌跡，同步描繪滑塊運動過程中的動量-時間、動能-時間圖像。利用Tracker軟件的數(shù)據(jù)分析工具進行統(tǒng)計分析滑塊碰撞前后的動量、動能，從而可以驗證碰撞過程中動量、動能是否守恒。

2 利用Tracker軟件分析驗證動量守恒定律

2.1 利用Tracker軟件分析彈性碰撞實驗

2.1.1 用數(shù)碼相機拍攝滑塊運動的視頻

實驗需要的器材有氣墊導軌、電子天平、滑塊和彈性碰撞器等。用手推動其中一個滑塊與另一個靜止的滑塊發(fā)生碰撞，同時用數(shù)碼相機拍攝兩個滑塊的運動過程。

2.1.2 利用Tracker軟件分析滑塊運動的視頻

打開Tracker軟件，選擇菜單的“視頻—導入”按鈕，將視頻加載，通過視頻剪輯對視頻研究的起始幀進行設(shè)定，并按下列基本步驟進行分析：

（1）設(shè)定參考坐標。選擇“軌跡—坐標軸”，為了便于分析，在水平和豎直方向建立直角坐標系。

（2）進行參考尺寸的定標。選擇定標工具對長度定標，以實驗中預先測量好的長度作為參考尺寸進行定標，Tracker軟件能夠計算出視頻中研究對象的實際運動過程。

（3）選擇研究對象。實驗的研究對象是滑塊，選擇“軌跡—新建—質(zhì)點”按鈕，創(chuàng)建質(zhì)點“Mass A”代表滑塊。

（4）進行軌跡控制。按住Shift + Ctrl出現(xiàn)1個圓圈，通過這個圓圈標示出實驗選擇的研究對象——滑塊，在后面的視頻分析中軟件可以自動追蹤滑塊的運動過程。

（5）選擇實驗要測量的物理量：動量和動能，設(shè)置滑塊的質(zhì)量，定義動能的表達式。

（6）顯示圖像，依據(jù)獲取的動量和動能坐標，Tracker軟件繪出滑塊運動的動量-時間、動能-時間圖像。

當兩個滑塊（分別用m1、 m2表示）質(zhì)量相等時，Tracker軟件繪制出兩滑塊運動過程的動量-時間、動能-時間圖像（如圖1、圖2、圖3、圖4所示）。

根據(jù)圖1、2、3、4的數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，滑塊在碰撞前后的動量、動能如表1所示，數(shù)據(jù)處理結(jié)果如表2所示。

當兩滑塊m1、m2質(zhì)量不等時，Tracker軟件繪出兩滑塊運動的動量-時間、動能-時間圖像。

根據(jù)圖5、6、7、8的數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，滑塊在碰撞前后動量和動能如表3所示，數(shù)據(jù)處理結(jié)果如表4所示。

根據(jù)表2和表4得到，彈性碰撞過程中，在誤差允許的范圍內(nèi)，系統(tǒng)的動能、動量均守恒。

2.2 利用Tracker軟件分析非完全彈性碰撞實驗

用2.1中的分析方法對非完全彈性碰撞的實驗視頻進行分析，Tracker軟件描繪出滑塊m1、 m2運動過程的動量-時間圖像。

根據(jù)圖9、10的數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，滑塊在碰撞前后的動量及數(shù)據(jù)處理結(jié)果如表5所示。

根據(jù)表5得到，非完全彈性碰撞過程中，在誤差允許的范圍內(nèi)，系統(tǒng)的動量守恒。

2.3 利用Tracker軟件分析完全非彈性碰撞實驗

用2.1中的分析方法對完全非彈性碰撞實驗視頻進行分析，Tracker軟件描繪出滑塊m1、 m2運動過程的動量-時間圖像。

根據(jù)圖11、12的數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，滑塊在碰撞前后的動量及數(shù)據(jù)處理結(jié)果如表6所示。

根據(jù)表6得到，完全非彈性碰撞過程中，在誤差允許的范圍內(nèi)，系統(tǒng)的動量守恒。

2.4 誤差分析

（1）實驗中存在隨機誤差和系統(tǒng)誤差。

（2）滑塊在運動過程中受到氣墊導軌對滑塊的摩擦力及空氣阻力。

如果將上述因素考慮進去，實驗結(jié)果的精度會進一步提高。

3 結(jié)束語

研究表明，Tracker軟件可以實現(xiàn)現(xiàn)象呈現(xiàn)與收集數(shù)據(jù)的同步，追蹤滑塊運動的軌跡，對滑塊運動過程的動量和動能進行數(shù)據(jù)采樣，并繪制出動量-時間、動能-時間圖像，在誤差允許的范圍內(nèi)，驗證了在碰撞過程中系統(tǒng)的動量、動能變化的規(guī)律。該方法方便、快捷、直觀、高效，測定結(jié)果誤差很小，有利于教師開展課堂實驗教學，也有助于學生在課外進行自主的科學探究，具有很高的推廣價值。

參考文獻：

[1]吳志山.讓真實定量、定格——Tracker軟件在物理學中的應用[J].物理教師，2012，33（7）：52-54.

[2]普通高中課程標準實驗教科書 物理選修3–5（第2版）[M].北京：人民教育出版社，2007：2-16.

（欄目編輯 鄧 磊）