郭興華

(南京市第一中學(xué) 江蘇 南京 210001)

1 引言

平拋運(yùn)動(dòng)是高中物理課程中一節(jié)重要的規(guī)律課，也是學(xué)生學(xué)習(xí)的第一個(gè)曲線運(yùn)動(dòng).人教版教材中提供了3個(gè)參考方案來研究平拋運(yùn)動(dòng).第一個(gè)方案是利用描繪小球平拋運(yùn)動(dòng)軌跡的實(shí)驗(yàn)裝置.第二個(gè)方案是利用水柱法描點(diǎn)并繪制平拋運(yùn)動(dòng)軌跡.第三個(gè)方案是利用數(shù)碼相機(jī)的連拍功能分析圖片.但是第一個(gè)方案存在多次釋放鋼球，確定鋼球運(yùn)動(dòng)軌跡不準(zhǔn)確等因素，而且繪制軌跡需要較長時(shí)間才能完成.第二個(gè)方案存在水壓影響初速度大小，會(huì)導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)誤差增大.第三個(gè)方案需要用到連拍及圖像疊加處理等技術(shù)，且成本較高.以上3種方法都無法直接、快捷地得到平拋運(yùn)動(dòng)的數(shù)據(jù)和圖像.

2 利用Logger pro3.15軟件研究平拋運(yùn)動(dòng)

2.1 Logger pro3.15分析軟件

Logger pro3.15軟件是美國威尼爾公司開發(fā)的一款數(shù)據(jù)收集和處理的軟件.利用該軟件，就可以直接將視頻收集的空間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到軟件上顯示，通過影像分析動(dòng)態(tài)跟蹤物體運(yùn)動(dòng)的軌跡，從而得到物體運(yùn)動(dòng)的位移、速度和加速度.它解決了以前物理教學(xué)過程中呈現(xiàn)的視頻只能觀察現(xiàn)象，不能定量計(jì)算的問題.它無需硬件設(shè)備，方便易用，支持avi, mp4,mov,mpeg等多種常見視頻格式，用普通手機(jī)拍攝即可.Logger pro3.15軟件提供了各種坐標(biāo)設(shè)置，可以沿不同角度建立直角坐標(biāo)系，極大地方便了物理研究.為了真實(shí)地還原實(shí)際運(yùn)動(dòng)場景，Logger pro3.15軟件還提供了標(biāo)度設(shè)定功能.只要在視頻場景中選定一個(gè)物體，將標(biāo)度尺移至該物體設(shè)置真實(shí)長度，在軟件處理數(shù)據(jù)時(shí)就會(huì)自動(dòng)按照設(shè)定的標(biāo)度比例測量物體的運(yùn)動(dòng)尺寸.

2.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與測量

物體以一定的初速度水平拋出，如果物體只受重力，這樣的運(yùn)動(dòng)叫做平拋運(yùn)動(dòng).平拋運(yùn)動(dòng)的物體在水平方向做勻速直線運(yùn)動(dòng)

x=v0t

(1)

在豎直方向做自由落體運(yùn)動(dòng)

(2)

但從一般的生活體驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象中便能直接得出結(jié)論.利用Logger pro3.15軟件，我們可以選取一段平拋運(yùn)動(dòng)的視頻來定量分析，幫助學(xué)生探究其中的規(guī)律.視頻可以讓學(xué)生提前拍攝或是從網(wǎng)絡(luò)上選取，這樣可以提高學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)物理的興趣.

2.2.1 運(yùn)動(dòng)軌跡的采集與描繪

打開Logger pro3.15軟件后，導(dǎo)入已經(jīng)錄制好的視頻.通過視頻剪輯對(duì)視頻研究的起始幀進(jìn)行設(shè)定.建立直角坐標(biāo)系，為了便于分析，在水平和豎直方向建立直角坐標(biāo)系.并根據(jù)視頻中的標(biāo)尺設(shè)定標(biāo)度比例,如圖1所示.選擇研究對(duì)象為小鋼球，并用質(zhì)點(diǎn)代替它.

圖1 設(shè)定標(biāo)度比例

用鼠標(biāo)逐幀追蹤小球的運(yùn)動(dòng)軌跡，我們會(huì)得到一系列的軌跡點(diǎn).從采集的點(diǎn)可以看出小球運(yùn)動(dòng)經(jīng)過的位置，如圖2所示，我們可以看到物體的軌跡呈拋物線形狀.

圖2 物體的運(yùn)動(dòng)軌跡曲線

2.2.2 數(shù)據(jù)的處理與分析

軟件將自動(dòng)記錄小球在x軸與y軸上隨時(shí)間變化的位置坐標(biāo)與數(shù)據(jù)，如圖3所示.

圖3 軟件自動(dòng)記錄的小球位置坐標(biāo)與數(shù)據(jù)

利用圖像擬合繪制出小球運(yùn)動(dòng)的x-t與y-t圖像，如圖4所示.由x-t圖像是直線，我們可以看出在水平方向小球做勻速直線運(yùn)動(dòng).由斜率可以得到水平運(yùn)動(dòng)的初速度為0.80 m/s.y-t圖像進(jìn)行二次函數(shù)擬合，由此可以得出擬合曲線方程為

y=-4.912t2+3.215t-0.528 8

從而證明豎直方向的運(yùn)動(dòng)為自由落體運(yùn)動(dòng).將擬合方程及其參數(shù)值與式(2)相比較,可得出物體的加速度值g=2A=9.82 m/s2.通過查閱資料，南京的重力加速度為9.79 m/s2.這兩者進(jìn)行比較，相對(duì)誤差為0.3%.

圖4 圖像擬合得到的小球運(yùn)動(dòng)曲線

可見，使用Logger pro3.15可以比較便捷、準(zhǔn)確地研究平拋運(yùn)動(dòng).產(chǎn)生誤差的原因可能是空氣阻力的影響、拍攝角度的影響或是取點(diǎn)位置不夠準(zhǔn)確等.

3 結(jié)束語

Logger pro3.15作為一種通過影像分析物體運(yùn)動(dòng)參數(shù)的工具，有許多傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)不可比擬的優(yōu)勢.它相比傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)裝置更便捷、直觀且誤差更小.相比DIS數(shù)字化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)和頻閃照相設(shè)備，成本更低。通過視頻分析，使平拋運(yùn)動(dòng)的整個(gè)教學(xué)過程可視化，不僅有利于培養(yǎng)學(xué)生的視覺思維，而且有利于提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)觀察和數(shù)據(jù)處理能力.同時(shí)，該軟件突破了時(shí)間和空間的限制，學(xué)生可以自由選擇自己感興趣的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行研究，拓展了學(xué)習(xí)的寬度和深度，也是解決學(xué)校實(shí)驗(yàn)器材不足的有效方法.在一定程度上能改善“講實(shí)驗(yàn)”“背實(shí)驗(yàn)”的狀況.該軟件可以在網(wǎng)上免費(fèi)下載，獲得途徑便捷，且無編程等復(fù)雜操作，學(xué)生很容易掌握它的使用方法.

但在進(jìn)行物理實(shí)驗(yàn)視頻分析的過程中，我們?nèi)匀粦?yīng)該注意以下幾個(gè)方面：

(1)Logger pro3.15軟件雖然可以播放一些實(shí)驗(yàn)視頻并能進(jìn)行分析，但并不能代替實(shí)驗(yàn)，真實(shí)的實(shí)驗(yàn)具有視頻無法替代的臨場感和親歷體驗(yàn)，軟件分析應(yīng)該在真實(shí)的實(shí)驗(yàn)之后再進(jìn)行教學(xué)輔助.

(2)視頻雖然來源于真實(shí)的拍攝，但由于場景較遠(yuǎn)、拍攝角度等，設(shè)置長度時(shí)難免有誤差，所以在分析結(jié)果時(shí)應(yīng)考慮誤差因素，有些視頻也只能作半定量分析.

本文一方面期望能為Logger pro3.15的使用者提供相關(guān)參考，更好地輔助物理課程教學(xué).另一方面期待Logger pro3.15的開發(fā)者可以將其進(jìn)一步完善，助推信息技術(shù)與物理教學(xué)的高效融合.