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        手機(jī)Vernier Video Physics App在物理實(shí)驗(yàn)探究中的應(yīng)用

        2021-02-12 00:24:09唐佳鈺鄭淵方張德培
        中學(xué)理科園地 2021年6期
        關(guān)鍵詞:實(shí)驗(yàn)探究

        唐佳鈺 鄭淵方 張德培

        摘? ?要:信息技術(shù)與物理教學(xué)的融合是當(dāng)今物理教育的熱點(diǎn)。利用手機(jī)Vernier Video Physics App研究自由落體運(yùn)動(dòng)和單擺運(yùn)動(dòng),對(duì)小球進(jìn)行逐幀追蹤定位,實(shí)時(shí)創(chuàng)建出小球做自由落體運(yùn)動(dòng)及單擺運(yùn)動(dòng)的相關(guān)運(yùn)動(dòng)圖像并進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合,簡(jiǎn)便、高效、直觀地揭示物體運(yùn)動(dòng)規(guī)律,促進(jìn)學(xué)生對(duì)物理概念和規(guī)律的理解,為教師輔助傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)及學(xué)生課外自主探究提供了有力工具。

        關(guān)鍵詞:Vernier Video Physics;視頻分析;實(shí)驗(yàn)探究

        1? 引言

        隨著科技的迅猛發(fā)展,信息技術(shù)早已與我們的生產(chǎn)生活密不可分?!镀胀ǜ咧形锢碚n程標(biāo)準(zhǔn)(2017版)》在教學(xué)建議中提出,要“重視科學(xué)探究能力的培養(yǎng)和信息技術(shù)的應(yīng)用:要設(shè)計(jì)各種學(xué)習(xí)活動(dòng)讓學(xué)生利用信息技術(shù)提升物理學(xué)習(xí)能力,例如利用手機(jī)等信息技術(shù)工具便捷地解決某些物理學(xué)習(xí)問題?!盵 1 ],在當(dāng)今時(shí)代背景下,信息技術(shù)已逐步走進(jìn)物理課堂,利用手機(jī)傳感器、手機(jī)視頻分析App等新興信息技術(shù)工具能夠便捷地解決物理實(shí)驗(yàn)中的一些問題,從而改進(jìn)物理教學(xué)效果,更好地發(fā)展學(xué)生物理學(xué)科核心素養(yǎng)。

        Vernier Video Physics是Vernier Software&Technology公司開發(fā)的一款手機(jī)視頻分析App,該App利用手機(jī)拍攝物體運(yùn)動(dòng)的視頻,通過對(duì)視頻畫面的定標(biāo),對(duì)研究對(duì)象進(jìn)行逐幀的自動(dòng)或手動(dòng)追蹤定位,實(shí)時(shí)創(chuàng)建出物體運(yùn)動(dòng)軌跡曲線圖及物體在x、y方向的位移和速度隨時(shí)間變化的圖像,同時(shí)可根據(jù)需要將數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合得到速度、加速度等物理量。Vernier Video Physics App以手機(jī)為載體,能夠隨時(shí)隨地在手機(jī)上完成拍攝物體運(yùn)動(dòng)視頻并直接量化分析的一體化操作。它以簡(jiǎn)便的操作步驟,高效直觀地揭示物體運(yùn)動(dòng)背后所隱藏的物理規(guī)律,且具有數(shù)據(jù)精確和成本低易于推廣等優(yōu)勢(shì),為研究二維運(yùn)動(dòng)學(xué)提供了極大的便利。同時(shí)信息化的實(shí)驗(yàn)方式有利于激發(fā)學(xué)生的探究欲望,拓展學(xué)生視野,培養(yǎng)學(xué)生運(yùn)用信息化手段處理物理問題的能力,提升學(xué)生的科學(xué)探究水平。本文主要以自由落體運(yùn)動(dòng)和單擺運(yùn)動(dòng)為例,介紹手機(jī)Vernier Video Physics App在物理實(shí)驗(yàn)探究中的應(yīng)用。

        2? 利用Vernier Video Physics進(jìn)行物理實(shí)驗(yàn)探究

        2.1? 探究自由落體運(yùn)動(dòng)

        利用Vernier Video Physics探究自由落體運(yùn)動(dòng)具體分為以下幾個(gè)方面。

        (1)實(shí)驗(yàn)器材

        安裝有Vernier Video Physics的手機(jī)、小鋼球、三腳架。

        (2)視頻拍攝

        使用智能手機(jī)拍攝一段小鋼球做自由落體運(yùn)動(dòng)的視頻(幀率為60fps)。拍攝時(shí)需注意幾個(gè)事項(xiàng):第一,應(yīng)使用三腳架固定手機(jī)以保持拍攝畫面的穩(wěn)定性,且鏡頭軸向應(yīng)與小鋼球運(yùn)動(dòng)平面垂直;第二,選取與小鋼球顏色對(duì)比度較高的白色墻面作為背景,有利于后續(xù)對(duì)物體的自動(dòng)追蹤;第三,為保證錄制的運(yùn)動(dòng)視頻中物體不產(chǎn)生“拖影”,可在錄制時(shí)將拍攝幀率調(diào)高,同時(shí)增加手機(jī)攝像頭的快門速度,一般快門速度為1/500 s左右即可使每幀畫面中的物體清晰不“拖影”,從而更易于后續(xù)的定位分析。

        (3)軟件操作步驟

        ①導(dǎo)入視頻

        將拍攝好的視頻導(dǎo)入到Vernier Video Physics中,對(duì)視頻進(jìn)行剪輯以獲取所需的運(yùn)動(dòng)分析片段。

        ②對(duì)視頻畫面進(jìn)行定標(biāo)和設(shè)置坐標(biāo)軸

        使用已知尺寸的物體來設(shè)置視頻畫面與真實(shí)場(chǎng)景的縮放比例。在本次實(shí)驗(yàn)中選取小鋼球的直徑(2 cm)作為標(biāo)尺,如圖1所示,點(diǎn)擊“Origin&Scale”,將定標(biāo)尺的兩端分別置于小鋼球的直徑兩端,并將直徑(0.02 m)輸入框中;為了便于研究,我們將坐標(biāo)軸的原點(diǎn)移動(dòng)至小鋼球的球心處,建立坐標(biāo)軸。坐標(biāo)軸還可根據(jù)不同實(shí)驗(yàn)的需要來調(diào)整角度。

        ③逐幀追蹤研究對(duì)象

        點(diǎn)擊“Points”,將追蹤圓環(huán)的十字準(zhǔn)心移動(dòng)至球心處,點(diǎn)擊圓心來標(biāo)記此時(shí)位置。移動(dòng)縮放滑塊以更改追蹤圓環(huán)的大小使其恰好包裹住小鋼球,點(diǎn)擊“Track”,軟件將自動(dòng)追蹤小球的位置。如圖2所示,標(biāo)記了小球在運(yùn)動(dòng)過程中的每一幀位置的一系列點(diǎn)跡呈現(xiàn)于畫面中,可在一定程度上代替頻閃圖。

        ④圖像分析及擬合

        數(shù)據(jù)采集完畢后,點(diǎn)擊右上角的圖表標(biāo)志,查看小鋼球做自由落體運(yùn)動(dòng)的y-t圖像及v-t圖像如圖3所示。由圖像可以看出,小鋼球在豎直方向上的位移隨時(shí)間變化的圖像為拋物線;在誤差允許的范圍內(nèi),小鋼球做的是初速度為零,速度均勻增大的勻加速直線運(yùn)動(dòng)。

        利用數(shù)據(jù)分析軟件,對(duì)圖像進(jìn)行進(jìn)一步的擬合分析,計(jì)算出小鋼球做自由落體運(yùn)動(dòng)時(shí)重力加速度。將數(shù)據(jù)直接導(dǎo)入至同公司開發(fā)的Vernier Graphical Analysis App中,對(duì)小鋼球的y-t圖像進(jìn)行二次方程式擬合,如圖4所示,得到擬合方程為y=-5.077t2-0.0307t(常數(shù)項(xiàng)忽略不計(jì))。對(duì)二次項(xiàng)系數(shù)取絕對(duì)值a'=5.077 m/s2,結(jié)合勻加速直線運(yùn)動(dòng)的一般公式:y=v0t+■at2,對(duì)比可得物體下落時(shí)的加速度a=2a'=10.154 m/s2,相比于重力加速度的理論值g=9.8 m/s2,相對(duì)誤差為3.61%。

        對(duì)v-t圖像進(jìn)行線性擬合,如圖5所示,得到的擬合方程為v=-9.749t-0.09984,r=-0.999,說明線性擬合效果較好。擬合方程斜率為-9.749,可得物體下落時(shí)的加速度為9.749 m/s2,與重力加速度理論值的相對(duì)誤差僅為0.52%。

        課堂上還可多次分析其他例如橡皮、硬幣、木球等物體的運(yùn)動(dòng)視頻,引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)這些物體下落時(shí)的加速度都大致相等,從而可在此基礎(chǔ)上引入重力加速度的概念。通過Vernier Video Physics視頻分析,使學(xué)生基于真實(shí)世界的運(yùn)動(dòng)視頻自主構(gòu)建對(duì)自由落體運(yùn)動(dòng)概念和規(guī)律的理解,直觀揭示了自由落體運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律:初速度為零的勻加速直線運(yùn)動(dòng),重力加速度為9.8 m/s2。

        2.2? 探究單擺運(yùn)動(dòng)

        利用Vernier Video Physics探究單擺運(yùn)動(dòng)在視頻拍攝與軟件操作的過程同上文探究自由落體運(yùn)動(dòng)大致類似,因此在這里僅做簡(jiǎn)要說明。在擺角<5°,擺長(zhǎng)l=61 cm的條件下,錄制一段擺球擺動(dòng)的視頻并導(dǎo)入軟件中,將坐標(biāo)原點(diǎn)設(shè)置于擺球球心的平衡位置處,y軸與擺線重合。依次對(duì)畫面進(jìn)行定標(biāo)、自動(dòng)追蹤后,得到擺球的運(yùn)動(dòng)點(diǎn)跡如圖6所示,擺球的x-t、v-t圖像如圖7所示。

        由x-t圖像容易看出,擺球的運(yùn)動(dòng)符合簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的規(guī)律。由v-t圖像可知擺球在平衡位置處速度最大,在位移最大處速度最小。在傳統(tǒng)教學(xué)中將單擺的回復(fù)力寫成F=-kx的形式來證明單擺做的是簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng),該種理論方法不夠直觀,而利用Vernier Video Physics分析得到的x-t圖像則直觀證明了單擺做的是簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng),同時(shí)與v-t圖像結(jié)合亦容易看出擺球在特殊位置處速度與位移之間的關(guān)系。在教學(xué)中將理論方法與視頻分析技術(shù)得到的運(yùn)動(dòng)圖像相結(jié)合分析,有利于促進(jìn)學(xué)生對(duì)單擺簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)規(guī)律的直觀認(rèn)識(shí)與理解。

        對(duì)單擺的x-t圖像進(jìn)行正弦擬合,得到擬合后的簡(jiǎn)諧振動(dòng)方程式如圖8所示,x=0.03562 sin(4.018t+6.152)(常數(shù)項(xiàng)忽略不計(jì)),ω=4.018 rad/s,計(jì)算得周期T=■≈1.564 s。由單擺的周期公式T=2π■得g=■=9.845 m/s2,與重力加速度理論值的相對(duì)誤差為0.46%。利用Vernier Video Physics逐幀定位擺球位置,較為精確地計(jì)算出單擺周期,使計(jì)算得到的重力加速度誤差較小。

        實(shí)驗(yàn)中還可利用控制變量法,多次改變擺長(zhǎng),探究單擺周期與擺長(zhǎng)的定量關(guān)系;多次改變擺球質(zhì)量或擺角,分別探究單擺周期與擺球質(zhì)量或擺角的關(guān)系。

        3? 結(jié)語(yǔ)

        利用手機(jī)Vernier Video Physics App進(jìn)行物理實(shí)驗(yàn)探究,對(duì)研究對(duì)象進(jìn)行逐幀追蹤定位,實(shí)時(shí)創(chuàng)建物體運(yùn)動(dòng)圖像并對(duì)其進(jìn)行量化分析,簡(jiǎn)便、高效、直觀地揭示了物體運(yùn)動(dòng)規(guī)律,在一定程度上減小了實(shí)驗(yàn)誤差,且成本低,易推廣,是輔助傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)探究的重要手段。對(duì)于學(xué)生而言,軟件的應(yīng)用使學(xué)生能夠基于來源于真實(shí)世界的視頻自主構(gòu)建對(duì)物理知識(shí)的理解,幫助學(xué)生在頭腦中形成直觀的物理模型和物理過程,促進(jìn)學(xué)生對(duì)物理概念和規(guī)律的理解;對(duì)于教師而言,軟件的應(yīng)用為中學(xué)物理教師提供一種新型、有效的教學(xué)方式,幫助教師有效突破教學(xué)重難點(diǎn),提升教師信息化教學(xué)的能力。

        教師可在學(xué)生完成傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,引導(dǎo)學(xué)生充分利用手機(jī)的便捷性,通過Vernier Video Physics App在課后進(jìn)行自主實(shí)驗(yàn)探究,對(duì)生活中常見的運(yùn)動(dòng)如投籃、過山車、汽車勻加速啟動(dòng)階段、蹦極等場(chǎng)景,或習(xí)題中重要的物理模型如“板塊運(yùn)動(dòng)”等拍攝視頻并分析、抽象出各種運(yùn)動(dòng)的本質(zhì)特征,在自主探究中加深對(duì)所學(xué)物理概念和規(guī)律的理解,激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和探究欲望,培養(yǎng)學(xué)生利用信息化手段處理物理問題的能力,從而更好地發(fā)展學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)。

        參考文獻(xiàn):

        [1]中華人民共和國(guó)教育部. 普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2017版)[S]. 北京:人民教育出版社,2018.

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