Tracker软件在物理教学中的应用研究

王 昭 侯汝艳 苏同卫 胥万松 冯朝桢

（德宏师范高等专科学校理工系，云南芒市；678400）

2003年美国国家科学基金会 （NSF）资助了开源物理项目 （Open Source Physics Project，OPS），该项目涵盖了经典物理学、流体力学、量子力学、天文学及热力学与统计物理学等多个研究领域[1]，其中由美国卡布里洛大学（Cabrillo College）道格拉斯·布朗 （Douglas Brown）教授[2]开发并维护的Tracker软件就是OPS项目中的一个很重要的开源软件。该软件突破了以往视频只能播放不能分析的限制，它可以自动跟踪视频中的特定目标，捕捉其位置、速度和加速度等数据，并内置了统计及拟合等相关数据分析功能，而且还允许用户建立自己的动力学或运动学模型，进行模拟及对比实验。该软件已经成功用于运动学、动力学甚至是光谱分析等领域的教学与研究[3]。

本文试图通过Tracker软件的视频分析及建模功能，介绍Tracker软件的使用方法，研究其在物理理论教学、实验教学和研究性学习等方面的作用，以期利用Tracker软件辅助物理教学能够达到事半功倍的效果。

一、 Tracker视频分析及建模方法

（一）视频录制

选择好实验项目后，可以使用手机、照相机或摄像机等普通的录像设备录制视频。录制过程中要尽量使研究对象与背景保持较大的颜色反差，同时保证镜头时刻与实验平面垂直。

（二）视频分析

打开Tracker软件，载入录制好的视频，通过软件的播放功能确定并设好视频分析的起止帧，然后根据具体情况设定坐标系，并标定参考尺寸。接着选定研究对象 （以质点模型为例），选择 “轨迹—新建—质点”按钮，创建质点“Mass A”代表研究对象，并对其相关参数进行设定。然后跟踪研究对象的运动轨迹，此时可以按住Shift+Ctrl，用出现的圆圈标示出研究对象，随后可以自动追踪研究对象的位置，但当研究对象运动速度过快，或者其附近有相似颜色的背景时会出现追踪偏差。这时可以选择 “标记为默认”，采用手动打点追踪方式。数据采集完毕，软件会自动绘出x-t图像。

（三）图像分析及拟合

双击 x-t图像进入数据工具界面， 点击“Analyze”按钮，勾选 “拟合”选项。然后选择合适的函数曲线，并调整参数，使拟合的曲线与图像重合，从而得到描述运动规律的方程。

（四）建模

使用菜单 “轨迹→新建→粒子运动学模型”（以运动学模型为例），填入相应的运动参数，就可以生成对应实验的运动学模型。通过与实际运动图像的对比，能更清晰的展示实验背后的物理规律，而且借助对比中的微小差异，可以进一步修正运动学模型，使其更符合实际运动图像。该建模功能也可单独用于建立给定参数的运动学模型或者动力学模型。

二、提升物理教学质量

增大课堂信息量，协调、节约理论与实践课时。目前很多高职高专院校的物理教学都面临着学时不够，理论与实践课时相互挤占的问题，而Tracker软件能够部分缓解这一矛盾。有些传统实验因仪器体积过大、操作精细及耗时等原因，不便在课堂上直接演示，可以提前录制好视频，在课堂上使用Tracker软件对视频进行分析与建模，既实现了直观再现，又节省了时间，而且视频还可以反复回放，多次使用。

精简实验系统，使之能够进入课堂。例如自由落体、竖直上抛及斜抛等传统实验，使用Tracker软件后，只需要一个小球、定标杆及一部智能手机就能在课堂上现场完成所有实验，操作简单、方便，还可以让学生全程参与，提升学生学习的主动性及课堂教学的趣味性。

理论与实验教学同步进行，相互印证。例如在讲解物体做平抛运动的规律时，可以当堂录制平抛运动视频，然后利用Tracker软件追踪小球运动轨迹并采集数据，构建多种动态质点模型模拟平抛运动及两个分运动(水平匀速运动和自由落体运动)，使平抛运动及分运动更加可视化、直观化。这样不仅直观的阐述了平抛运动的规律，说明了运动的合成与分解原理，而且还证明了分运动、合运动的等时性以及两个分运动的独立性[4]。

三、扩展物理实验分析手段

（一）简化及改进实验手段

Tracker软件可以简化物理实验器材及操作。例如在设计研究平抛运动或自由落体运动实验时，可以舍弃光电门系统、打点计时器、纸带及电源等传统实验器材[5-6]，整个实验过程只需正确录制实验现象和视频数据处理两步操作。

Tracker软件可以提升传统实验的改进空间。例如用弹簧代替传统刚体转动惯量实验中的砝码[7]，可以减少一定的系统误差，提高测量的精度；利用Tracker软件分析各种弹跳、碰撞及振动系统[8-13]，可以更方便、快捷、直观、高效的描绘运动图像，而且操作简单、准确性高；利用Tracker软件对各种条件下物体在流体中的运动进行细致分析，可以减小测量误差，使数据处理更为直观、准确，从而大大拓展此类实验的研究范围与研究深度[14]；在弹簧振子上装一个测力计后，利用软件的逐帧播放功能，就能清楚看到弹簧测力计示数的变化[15]，将实验拓展到了物体超失重问题的研究，同时也为实验分析提供了可视且多维同步的实验观察效果。

（二）拓展实验素材范围

Tracker软件突破了传统实验在时间、地域、规模及种类等方面的限制。传统实验大多只能在一定的时间及地点进行，并且规模及实验种类受师资的限制比较大，而利用Tracker软件后，只要能正确录制，生活中随时随地发生的各种人为的或自然的现象都可以纳为实验研究对象，选择非常广泛、灵活，例如蹦极、翼装飞行及航天器发射等。而且实验视频除了自己拍摄外，也可以使用电视、电影、网络及虚拟游戏等方面的视频，甚至课本上的一些图片也可用来进行轨迹等静态分析[15]。

（三）拓展实验分析方法

自建模型，直观化理论模型和影响因素。Tracker软件支持自建运动学和动力学模型，只要设定好实验参数，就能生成指定的运动学或动力学系统时间演化过程，从而可以探索各种因素、各种模型对运动的影响。例如研究不同重量蛋糕杯自由落体运动时[3]，分别建立阻力模型（drag model） 和黏性模型 （viscous model），就可以清楚的展示两种模型对实际运动符合程度的优劣；研究空气阻力对斜抛运动的影响时，建立空气阻力模型并与实际运动比较，可以明显发现低速斜抛运动中空气阻力可以忽略[16]。

减少近似处理，提高实验精度。传统实验为了方便操作、演示及理论分析，都忽略了很多次要因素，影响了实验结果与理论分析的吻合度。例如，落体法测量转盘的转动惯量实验中，传统实验一般都假设摩擦力矩不随时间变化，转盘的加速和减速过程均为匀加速转动，但实际上摩擦力矩是非均匀阻尼，转盘所作的都是非匀加速转动，在利用视频捕捉及分析手段后，不仅能直接对转动惯量进行测量，避免不正确假设引起的偏差，而且测量结果更为直观、精确[17]。

四、搭建研究性学习平台

Tracker能够方便、快捷的搭建实验平台。该平台对实验设备要求比较简单，只需要一部具有摄像功能的普通手机，就可以随时随地拍摄身边的物理现象，然后使用Tracker软件处理分析数据，很容易找到隐藏在实验现象背后的物理规律[18]，而且实验过程时间较短，操作方便、简单，实验方法容易推广。

Tracker能够降低自主实验操作难度。Tracker软件操作简单、方便，是有力的自主研究性学习工具，有利于学生主动去猜想、设计、实施和完成实验，主动地获取知识、应用知识并解决问题，能够激发学生的学习兴趣，提高学生对物理实验的参与程度与热情，培养学生捕捉信息、获取信息、处理信息的能力。

Tracker的研究性学习活动更贴近生活。传统实验所选器材远离真实世界[19]，让学生以为“斜面、小车、纸带、打点计时器、铁架台、秒表、刻度尺”等器材就构成了物理实验的全部[20]，而使用Tracker软件后，学生就可以从身边取材，将理论和实际相联系起来，有利于学生从真实的生活世界来总结物理规律，进行科学探究，使其更加关注科学和生活。

五、结 语

Tracker软件强大的视频分析及建模功能，能够提升物理教学质量、简化及改进实验系统、提高物理实验精度及搭建研究性学习平台，激发学生学习兴趣并开拓视野，使学生知识、能力及素质得到全面提高。

参考文献

[1]http://www.opensourcephysics.org/

[2]http://physlets.org/tracker/

[3]D Brown，AJ Cox.Innovative Uses of Video Analysis[J].Physics Teacher,2009,47(47):145-150.

[4]洪炎红,徐晓梅.基于Tracker软件的平抛运动可视化教学策略[J].中学物理,2015,44(11):26-29.

[5]贺福.视频分析软件改善物理实验教学[J].物理教学探讨,2016,34(488):10-11.

[6]陈霞.用Tracker视频跟踪软件分析 《伽利略对自由落体运动的研究》[J].中国信息技术教育,2013,5:140-141.

[7]贾昱,程敏熙,安盟,王经淘,李荣妹.基于视频分析软件Tracker测量刚体转动惯量[J].物理实验,2014,34(5):33-35.

[8]王经淘,程敏熙,贾昱,李荣妹.利用Tracker软件分析气垫导轨上弹簧振子的阻尼振动[J].大学物理,2014,33(4):22-24.

[9]庞玮,许惠平,王仁灿,林伟佳,宁锌,徐小明.利用视频分析测量阻尼振子的阻尼系数[J].大学物理实验,2014,27(6):12-15.

[10]吴肖,朱道云,胡峰,吴福根.利用视频分析软件Tracker研究皮球的弹跳[J].物理实验,2013,33(7):40-42.

[11]刘婷,彭朝阳.应用视频分析软件测单摆周期和重力加速度[J].物理教学探讨,2016,34(490):56-57.

[12]杜江.用Tracker软件分析油浸弹簧振子的阻尼振动[J].物理通报,2016,3:100-102

[13]何立平,程敏熙.用视频分析软件Tracker研究二维平面碰撞的动量守恒[J].2015,34(9):31-34.

[14]庞玮,陈峻,李志伟,尚思恒,黄冠元.利用Tracker视频分析软件测量液体黏度[J].2012,31(4):25-27.

[15]吴志山.让真实定量、定格——Tracker软件在物理教学中的应用[J].物理教师,2012,33(7):53-54.

[16]LK Wee,C Chew,GH Goh,S Tan,TL Lee.Using Tracker as a Pedagogical Tool for Understanding Projectile Motion[J].Physics Education,2012,47(8):448-455.

[17]庞玮,李志伟,蔡培婷,宁欣.黏滞摩擦下转盘转动惯量的分析与测量[J].2014,33(2):41-44.

[18]丁晓彬,董晨钟.基于2D开源视频分析和建模软件Tracker研究抛体运动实验[J].大学物理,2012,31(7):34-36.

[19]李玉峰,熊建文,杨友源.视频分析软件在物理实验中的应用[J].实验室研究与探索,2009,28(4):62-64.

[20]JA Bryan.Video Analysis:Real-World Explorations for Secondary Mathematics[J].Learning&Leading with Technology,2005,32(6):22-24.