蘇攀 代珍兵 胡優(yōu)良

摘? ?要：對人教版物理八年級下冊“探究動能大小影響因素”教學演示裝置進行創(chuàng)新設(shè)計，提高了實驗過程的操作性和現(xiàn)象的直觀性。通過Tracker軟件將測量結(jié)果數(shù)字化，進一步提高了實驗的科學性和準確性。

關(guān)鍵詞：動能;輔助教學;Tracker軟件;實驗

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A ? ? 文章編號：1003-6148（2021）6-0044-3

通過對《義務(wù)教育物理課程標準（2011年版）》[1]（以下簡稱為《課標》）的解讀，初中階段要求學生知道動能，通過實驗了解動能和勢能的轉(zhuǎn)化。落實到教學中，動能大小的影響因素是本節(jié)學習的難點?！墩n標》指出，要重視科學探究式教學，發(fā)揮實驗在物理教學中的重要作用，本實驗作為科學探究式教學模式的重要組成，其重要性彰明較著。《課標》還強調(diào)，學生是課堂的主體，因此進行學情分析對于教學來說十分重要。從認知能力方面來看，根據(jù)兒童心理學家皮亞杰的思想，該階段的學生正處于形式運算階段初期，在現(xiàn)有實驗的基礎(chǔ)上利用Tracker軟件進行定量分析，有利于學生抽象邏輯思維水平的發(fā)展，讓學生根據(jù)數(shù)據(jù)推導影響因素，并能自行推理當影響因素改變后，動能的變化。因而，利用Tracker視頻分析軟件對動能大小的影響因素實驗進行定量分析也十分必要。

1? ? Tracker視頻分析軟件與教材現(xiàn)有實驗分析

Tracker是在開源物理架構(gòu)（Open Source Physics，簡稱OSP）下的一款開源視頻分析軟件，由Douglas Brown開發(fā)，是國外針對物理教育而設(shè)計的軟件，可以手動或自動跟蹤對象的位置、速度、加速度以及動能等物理量并動態(tài)顯示，在操作時還可以根據(jù)需要定義新的物理量進行跟蹤觀察，是應用于物理視頻跟蹤分析的免費軟件。利用Tracker追蹤實驗視頻建模是一種教學新方法，它解決了過去物理實驗教學過程中只能看現(xiàn)象卻不能定量分析的問題。實驗視頻的獲取也很容易，這些條件使得本實驗實際操作性極強。

人民教育出版社出版的初中物理八年級下冊第十一章《功和機械能》第 3 節(jié)《動能和勢能》[2]中的實驗“探究物體的動能跟哪些因素有關(guān)”，實驗裝置如圖1所示，實驗內(nèi)容為： 讓不同規(guī)格的鋼球從斜槽不同位置滾下，通過與放置在水平木板上的小木塊發(fā)生碰撞，將小木塊的位移大小轉(zhuǎn)化成鋼球動能的大小，從而判斷影響物體動能的因素。該裝置具有結(jié)構(gòu)簡單、實驗原理直觀易懂的優(yōu)點，但正因為其結(jié)構(gòu)簡單，導致實驗的穩(wěn)定性低，具體表現(xiàn)為：

（1）小球在傾斜軌道和水平軌道的能量損失較大，水平軌道上被碰撞的小木塊移動并不明顯;

（2）由于沒有固定的軌道，小球會偏離預想的軌跡導致實驗失敗，增加實驗的時間成本;

（3）木塊碰撞后產(chǎn)生的位移由人工測量，其中有不可避免的誤差，降低了實驗的準確性。

2? ? 探究動能大小影響因素的原理、器材和步驟

2.1? ? 實驗原理

讓不同規(guī)格的鋼球從斜槽不同位置滾下，同一質(zhì)量的鋼球在不同高度具有不同的重力勢能; 鋼球在重力作用下滾落，在滾落過程中重力勢能轉(zhuǎn)化成動能和內(nèi)能，若忽略鋼球因與軌道摩擦的內(nèi)能損耗，同一質(zhì)量的鋼球開始滾落時高度越高，到達水平軌道時速度越大，動能越大。用手機拍下鋼球運動的全過程，導入Tracker視頻軟件，對物體運動軌跡進行追蹤，建立物理模型，繪制相應的v-Ek、Ep-Ek圖像，對數(shù)據(jù)進行定量分析，并利用數(shù)據(jù)更直觀、準確地呈現(xiàn)出實驗結(jié)論。

2.2? ? 實驗器材

（1）三個直徑分別為7.0 mm、9.0 mm、11.0 mm，不同質(zhì)量的鋼球，為便于敘述分別標注為1、2、3號鋼球。

（2）PVC管，長度為70 cm。

（3）處理PVC管，在彎道外側(cè)等間距切割管道的2/3，讓軌道內(nèi)側(cè)能彎曲，制作光滑的彎道。

（4）實驗儀器固定底座。

（5）可拍攝視頻的電子設(shè)備一臺，固定支架一個。

（6）Tracker視頻分析軟件：對手機拍攝的鋼球在雙斜面上的運動軌跡進行追蹤，建立物理模型，繪制相應的物理圖像，對數(shù)據(jù)進行定量分析，直觀、形象地得出實驗結(jié)論。

2.3? ? 實驗步驟

（1）自制動能大小影響因素實驗演示儀，首先將軌道拼裝完成，效果如圖2所示。

（2）固定手機支架，固定好手機，開始錄制鋼球運動的視頻。

（3）改變鋼球下落高度，下落高度依次為h1=4 cm、h2=8 cm、h3=12 cm，錄制三個視頻。

（4）改變鋼球質(zhì)量，從同一高度下落，錄制兩個視頻。

（5）將鋼球運動軌跡視頻導入Tracker視頻分析軟件。先選取1號鋼球在最低下落高度釋放進行分析，選取鋼球釋放點為坐標原點，以水平方向和豎直方向建立直角坐標系，在此基礎(chǔ)上進行定標，以最高高度h3=12 cm為標尺。視頻分析中的單位均為統(tǒng)一單位以便于計算。裁剪視頻，點擊左下角視頻播放按鈕，視頻播放以幀為單位，幀是視頻數(shù)據(jù)的最小單位，每一幀就是一幅靜止的畫;選取鋼球釋放點作為初始位置;到達水平面第二幀作為末位置，點擊鼠標右鍵，選取初始位置對應的視頻幀數(shù)作為視頻的起始幀，末位置對應的視頻幀數(shù)作為結(jié)束幀;對鋼球運動軌跡進行追蹤。為便于操作和減小實驗的偶然誤差，可適當滑動鼠標，增大或縮小視頻畫面，創(chuàng)建菱形質(zhì)點m=1 kg，點擊質(zhì)點，摁下Shift鍵的基礎(chǔ)上單擊鼠標右鍵，每標記當下畫面的質(zhì)點，軟件將自動跳到下一幀畫面，直到所有畫面標記上質(zhì)點位置。右側(cè)頁面將依次出現(xiàn)相應的時間t所對應的x、y值和鋼球運動軌跡，根據(jù)本實驗目的選擇動能和速度進行分析。

3? ? 數(shù)據(jù)記錄

1號鋼球在h3處釋放的運動軌跡追蹤圖像及每一幀對應的坐標位置如圖3所示。

在表格處點擊鼠標右鍵選擇分析，橫坐標選擇t，縱坐標選擇Ek（動能）。軟件里沒有定義重力勢能，點擊右下側(cè)“表格”兩個字，選中“定義”即出現(xiàn)如圖4的窗口，根據(jù)實驗目的，定義重力常數(shù)g，取值9.8，在數(shù)據(jù)函數(shù)欄目編輯新物理量名稱以及表達式（圖4）。

利用軟件自動生成鋼球運動速度與動能的坐標圖以及重力勢能與動能的坐標圖，對應的數(shù)據(jù)也顯示在窗口右側(cè)（圖3）。

依次將1號鋼球從h2和h1處釋放，重復步驟5，得到1號鋼球在h2和h1處釋放的動能圖像以及速度與動能的數(shù)據(jù)（圖5、圖6）。

為探究動能與質(zhì)量的關(guān)系，在h3處靜止釋放2號、3號鋼球，重復步驟5得到相應的圖像數(shù)據(jù)（圖7、圖8）。

4? ? 數(shù)據(jù)分析與結(jié)論

通過上述數(shù)據(jù)記錄，觀察5組實驗的圖像與數(shù)據(jù)，鋼球的動能與速度大小一目了然，整理數(shù)據(jù)可以得出表1。其中，m為鋼球的質(zhì)量，h為斜面豎直高度，v為鋼球到達水平面第二幀時的速度大小，Ek為鋼球到達水平面第二幀時的動能大小，Ep為鋼球到達水平面第二幀時的重力勢能大小。

由表中數(shù)據(jù)可以看出，隨著鋼球釋放高度以及質(zhì)量的變化，鋼球的運動情況也隨之改變。在控制鋼球質(zhì)量一定，增加釋放高度時，速度逐漸增大，導致動能隨速度的增大而增大，圖像顯示出兩者成正比關(guān)系。在控制鋼球釋放高度一定，增加質(zhì)量時，速度趨于穩(wěn)定，導致動能隨質(zhì)量的增大而增大。

該實驗除了得到教材要求的結(jié)論外，還可以用于后續(xù)重力勢能與動能轉(zhuǎn)換的教學中。從圖像關(guān)系中得到，當?shù)竭_水平軌道后，重力勢能不再變化，動能便趨于穩(wěn)定。

5? ? 不足與展望

本實驗基于教材的原實驗進行改進，得到了新的實驗操作方式，雖然得到了符合客觀科學的結(jié)論，但仍存在一些不足。

（1）本實驗器材尺寸的局限性導致鋼球所能選擇的質(zhì)量范圍小，數(shù)據(jù)過小，對鋼球的質(zhì)量進行了理想化處理。

（2）釋放的高度范圍小，數(shù)據(jù)數(shù)量受局限。

（3）實驗視頻錄制的設(shè)備功能較弱，對質(zhì)點的定位有所影響。

利用Tracker視頻軟件對實驗視頻直接分析，可以直接得到實驗的實時相關(guān)數(shù)據(jù)，避免了因測量數(shù)據(jù)造成的實驗誤差，比原實驗更加準確、科學。該軟件操作簡單，應用范圍廣泛，特別是對動量守恒驗證實驗的處理，一線教師可將其應用于實際教學中。

參考文獻：

[1]中華人民共和國教育部.義務(wù)教育物理課程標準（2011年版）[S].北京：北京師范大學出版社，2012.

[2]人民教育出版社，課程教材研究所，物理課程教材研究開發(fā)中心. 義務(wù)教育教科書物理八年級（下冊）[M].北京：人民教育出版社，2019. （欄目編輯? ? 劉? ?榮）