(揚州大學物理科學與技術學院,江蘇 揚州 225000)

1 數字化實驗與Tracker軟件

數字化實驗是指借助軟件將實驗中的不可視信息通過計算機展示出來,使得在原有定性研究的基礎上實現定量研究,是一種新型實驗形式,它將高速發(fā)展的信息技術與實驗相融合,一方面可以開闊學生的眼界,另一方面也有利于培養(yǎng)學生的創(chuàng)造能力。Tracker是借助計算機來進行數據分析的視頻處理軟件,它可以對導入的視頻進行解析,并追蹤研究對象的運動軌跡,從而展示出位移、速度、加速度等物理量的方向,經過特定的設置還能精準計算出這些物理量的大小。

2 “水流星”問題

“水流星”問題是在學習高中物理圓周運動這一章節(jié)后,作為考查學生對有關圓周運動知識掌握情況而設置的常見物理問題。例如:雜技演員在做“水流星”表演時,用繩系著裝有水的水桶,在豎直平面內做圓周運動,若水的質量m=0.5kg,繩長L=60cm,要想使水桶剛好能轉過最高點,此時小桶轉動的線速度至少是多大?設計此問題的目的在于使學生將所學知識用于實際情境中。

在以“水流星”為問題情境的題目中,設問為求在最高點水不流出的最小速率的習題占有相當大的比例,這種題目存在問題,只通過計算往往會讓學生走入誤區(qū)，認為兩種說法并無不同,而通過實驗探究便可讓學生發(fā)現兩種設問的區(qū)別所在。

3 探究過程

用生活中常見的塑料瓶、繩子制作 “水流星”,創(chuàng)設水流星問題的物理情境,讓學生親自動手實驗,主動思考問題。經過多位同學的親身體驗,最終發(fā)現要使瓶子完成完整的圓周運動,瓶子在最高點需要具有一定的速率。教師要求學生用本章所學的知識嘗試求解經過頂點時瓶子能進行圓周運動的最小速率并解釋其原因。

實驗探究步驟如下:

(1) 對實驗過程進行簡單調整,在水中加入墨水,方便追蹤運動軌跡。

(2) 用手機記錄運動過程,并將視頻導入Tracker軟件(圖1)。

圖1

(3) 如圖2所示，在畫面中建立直角坐標系,選取圓心為坐標原點。新建定標桿,按Shift+左鍵分別選取起點和終點,根據測量的長度來標定。

圖2

(4) 如圖3所示，新建質點,可按住Ctrl+Shift+左鍵自動跟蹤質點運動軌跡,也可按住Shift +左鍵手動選取。

圖3

圖4

4 結語

在解決物理問題的過程中,僅用紙筆進行講解和分析一方面會使學生感到枯燥,脫離實際,另一方面只進行理論推導缺少說服力。正如本文提到的“水流星”問題,大多數學生甚至部分教師對于題目設問中存在的問題絲毫沒有覺察。借助于數字化實驗,可以直觀地展示實驗過程和結果,剖析實驗中的每一個細節(jié)。借由Tracker軟件將具體真實的數據展現在學生眼前,不僅可以幫助學生加深理解與記憶,還能提高學生主動學習的興趣。在信息技術迅速發(fā)展的今天,物理教學與多媒體等進行融合已成為必然,由此應運而生的數字化實驗也對物理教學大有裨益,除了本文提到的Tracker軟件外,手機自帶的拍攝功能、Phyphox軟件、數字傳感器等都可以為物理實驗提供有力的幫助,建議廣大教師能在教學中重視和應用數字化工具探究實驗。