葛興爍 李強

(石家莊石門實驗學(xué)校 河北 石家莊 050024)

1 問題提出

【例1】(多選)(2019年·石家莊十八縣二模)如圖1所示，小明在做模擬“蹦極”的小實驗，一根橡皮筋一端系一個小石塊，另一端固定在A點，B點是橡皮筋不系小石塊自然下垂時下端所在的位置，C點是小石塊從A點自由釋放后所能達到的最低點，不計空氣阻力，關(guān)于小石塊從A點到C點運動過程的說法，正確的是( )

圖1 例1題圖

A．從A點下落到B點的過程中，小石塊受到重力和拉力的作用

B．從B點下落到C點的過程中，小石塊的動能先增大后減小

C．小石塊過B點后，動能和重力勢能都減小，橡皮筋的彈性勢能增大

D．若小石塊到達C點時外力消失，小石塊將靜止

本題考查的知識點有影響動能大小的因素、影響重力勢能大小的因素、動能和勢能的相互轉(zhuǎn)化、物體受力分析．因為題中物體運動過程復(fù)雜，涉及的知識點多，而且受力情況對應(yīng)的運動情況和此過程中機械能及其相互轉(zhuǎn)化對初中學(xué)生來說比較抽象，所以難度頗大．本題參考答案是選項B，D，選項A是考查物體受力分析，相對來說是最容易判斷的，然而在其他3個選項中做出正確的判斷就有一定的難度了．

對于此類題目，如果學(xué)生應(yīng)用所學(xué)知識做出正確的分析，要求是比較高的．同時，傳統(tǒng)教學(xué)過程是通過受力分析并結(jié)合物體運動狀態(tài)，分析小球在整個運動過程中動能、重力勢能、彈性勢能及其相互轉(zhuǎn)化，如圖2所示．由于初中生物理建模能力薄弱，對復(fù)雜運動過程中加速、減速情況對應(yīng)的受力條件感性認識不足．因此，完整、正確地分析運動過程比較困難．有沒有比較簡便、形象的方法來解決此問題呢？

圖2 蹦極過程分析

2 利用Tracker軟件研究鐵球運動

Tracker軟件是一款簡捷的視頻分析軟件，可以追蹤選定研究對象的運動軌跡，大量數(shù)據(jù)分析可定量得到運動的規(guī)律[1]．借用Tracker 軟件可以輔助分析物體的真實運動情況，解決真實運動問題[2，3]．下面介紹用 Tracker軟件分析模擬“蹦極”實驗中鐵球運動的整個過程[4]．

2.1 運動軌跡拍攝和采點

用手機支架固定好手機，調(diào)整好拍攝角度，使鐵球(m=209 g)由靜止自由釋放，錄制鐵球下落過程．進入Tracker的主界面導(dǎo)入拍攝好的視頻，選取要分析的起始幀和結(jié)束幀進行追蹤．創(chuàng)建直角坐標系，并選取起始位置為坐標原點．根據(jù)視頻中標記位置的已知參考長度(42 cm)用以定標視頻中的長度．創(chuàng)建1個質(zhì)點后，長按“Ctrl + Shift”鍵，同時用鼠標左鍵點擊鐵球，并選擇需要追蹤的鐵球的模板，選擇自動追蹤并按下搜索鍵，得到鐵球下落運動的軌跡點，如圖3所示．其中A點(采樣點0)為起始點，B點(采樣點4)為彈性繩原長位置，O點(采樣點10)為鐵球重力與所受彈性繩拉力相等的點，C點(采樣點18)為鐵球運動的最低點．

圖3 鐵球運動軌跡采樣點

2.2 數(shù)據(jù)處理與分析

圖4中上面是鐵球高度隨時間(h-t)的變化，下面為對應(yīng)的速度隨時間(v-t)變化的圖像．由圖像中對應(yīng)的采樣點可知，鐵球經(jīng)過B點和O點的位置即為圖4虛線標注的采樣點．由圖可知，鐵球從B點下落至最低點C的過程中，速度先增大再減小，到達最低點時，速度減小為零．所以選項B是正確的. 同時，結(jié)合圖4也能充分說明，鐵球在經(jīng)過重力與拉力相等的O點時，鐵球的速度達到最大值．這樣以圖像形式展示，避免了繁瑣的理論分析，更有利于學(xué)生直觀感受，突破在教學(xué)過程中的難點．

圖4 鐵球速度和高度隨時間變化圖像

對于蹦極過程中動能的變化情況，軟件中也有直接的分析選項．鐵球在下落過程中的動能變化情況如圖5所示．對于其他形式的能量，雖然Tracker軟件中沒有直接比較勢能和機械能的選項，但是在已經(jīng)追蹤的數(shù)據(jù)中，已有動能的數(shù)據(jù)，代入式(1)中即可得到鐵球機械能大?。谧粉欬c中選擇部分采樣點并代入公式計算結(jié)果如表1所示．

E機械能=mgh+Ek

(1)

圖5 鐵球動能隨時間變化圖像

表1 采樣點的動能、高度和機械能

觀察表1中的數(shù)據(jù)，比較鐵球在下落前后過程中的機械能，我們發(fā)現(xiàn)鐵球在下落前后機械能逐漸減小，鐵球的機械能是不守恒的．利用數(shù)據(jù)定量反映鐵球下落過程中機械能的變化，可以加深學(xué)生對過程中能量變化的理解．

3 總結(jié)

Tracker軟件的應(yīng)用不僅可以很直觀地顯示運動中的一些物理量，同時也實現(xiàn)了物體運動規(guī)律的定量分析．相較于傳統(tǒng)的分析過程，可以提供更多的運動情況信息，為學(xué)生分析運動規(guī)律，建立模型，解決問題帶來極大的便利．利用 Tracker軟件進行運動分析，研究物體運動規(guī)律，可以大大鍛煉學(xué)生的觀察能力、分析數(shù)據(jù)能力和創(chuàng)新精神．

另一方面在教學(xué)過程中，教師可能會遇到所授知識與學(xué)生認知過程不對等的情況，教師不能拘泥于該知識點是否超綱，而應(yīng)該多關(guān)注學(xué)生對于知識的理解情況，發(fā)現(xiàn)他們在知識構(gòu)建過程中遇到的問題，并積極地提供不同的方法和思路去解決，逐步提高學(xué)生物理建模和分析解決問題的能力．