利用多媒体技术判断单摆做简谐运动

罗慧+杨小芳

摘 要：结合多媒体技术进行物理实验对于获得实验结论往往有意想不到的效果。本文阐述在单摆的实验教学过程中，利用手机录像软件录制小球的运动情况并用常用电脑软件kmplarer、PowerPoint对视频进行处理，获得小球的x-t图，并利用几何画板证明单摆小球运动为简谐运动，解决了教材中演示实验的不足，提高了课堂完整性。

关键词：多媒体技术；单摆；简谐运动

中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148（2018）1-0054-2

1 问题的提出

在人教版选修3-4《单摆》这一节中，通过传统的双线摆演示实验得到物体的x-t图，并通过理论推导回复力公式最终得到结论“在偏角很小的时候……单摆做简谐运动”[1]，体现了观察实践与理论探究结合的物理学科特点。但该演示实验存在几个问题：注射器喷出墨水后，重心下移，摆长的变化会引起周期变化；很难保证白纸做匀速运动；判断得到的曲线为正弦曲线需用刻度尺测量曲线上若干个位置的横坐标和纵坐标，不易在课堂上操作。因此，在实际教学中教师往往在绘制出一条x-t曲线后仅让学生看下图像，并认为“觉得像”而草草得到该图像是个正弦曲线的结论……

笔者对教材演示实验进行改进，用手机录制小球的运动并利用kmplarer、PowerPoint两个软件记录单摆小球运动（x-t），再通过Sketchpad（几何画板）验证该图像是个正弦曲线，从而更直观地得到结论：单摆小球的运动为简谐运动，弥补了传统教学的不足。

2 小球视频录制

如图1所示，为了保证小球的运动在一个平面内，将单摆改为双线摆，挂在黑色支架上，支架在铁架台上固定，手机平放在铁架台的台板上。由于在实验过程中需要观察并调整小球在手机屏幕的位置，因此使手机正面朝上，利用前置摄像头对小球的运动情况进行录制。

图2为录像时手机屏幕截图。调整手机位置，让铁球的运动轨迹紧贴手机屏幕的左边缘摆动，且不要超出屏幕上下边缘，双线摆的支架恰好在屏幕的中间。图中实线框内为后期取景区域，为保证小球运动的x-t图清晰美观，框内尽量不要出现其他景物，调整好后开始录制，时间为3～5秒。

3 视频连续截图

视频截图是指将看到的视频画面截取并保存为图片文件，Kmplayer是一款功能豐富的视频播放软件，具备将视频按相同时间的间隔进行截图的功能。在Kmplayer软件中打开录制好的视频先暂停播放，点击鼠标右键选择“捕获”—“画面：高级捕获”弹出“帧模式”对话框。如图3所示，将“连续”“在一秒内20帧”选中，表示在连续的时间内每秒截图20幅。两幅图的时间间隔为0.05 s，也可自行更改1 s内的帧数。然后，点击开始并让视频开始播放，视频结束后点击停止截图，这样就得到了小球在不同时刻的位置截图，截图文件保存的位置在C：＼KMPlayer＼Capture＼。

4 获得x-t图

如图4所示，在截图文件夹中选取铁球从中间开始的一个全振动的连续照片，删除多余照片。打开PowerPoint软件，新建一张空白幻灯片，点击“插入图片”选中之前选的所有照片一起插入。然后点击“格式”—“对齐”—“顶端对齐”得到效果，选中并拉动最左边的一张图片使第一个小球的位置与白板的最右边对齐，选中并拉动最右边的一张图片使最后一个小球与白板的最左边对齐，接着全选所有图片并点击“对齐”—“横向分布”就可以将所有照片按等间距排布，得到如图4所示单摆小球的x-t图，原理类似频闪照片，中间黑色条纹（双线摆支架）可以等效地看成时间轴。（图4）

5 正弦曲线的证明

Sketchpad（几何画板）是中学数学辅助教学软件，可以绘制各种函数图像。用QQ 截图软件将完成的x-t图截取并粘贴至几何画板中，点击几何画板的“绘图”—“绘制新函数”，在弹出的“新建函数”对话框中点击“函数”并选择“sin”填写参数，如图5所示，然后点击确定，调整三角函数图像的位置及“ω”及“A”参数，其与x-t图几乎重合，黑色实线为新建三角函数曲线。这说明单摆小球运动的x-t图可以近似认为是一个正弦函数图像，该单摆做简谐运动。

6 结束语

利用多媒体技术从图像获取到x-t图是正弦曲线的验证一蹴而就，在教师熟练操作后，整个过程只要几分钟时间，具有成本低、小球运动时间和位置同时采集等优点，可以让学生对单摆是简谐运动有直观的感受。物理学研究的结论可能被学生忘记，但物理学研究的思想和方法，研究的态度一定能够长久地支持学生的学习、生活和工作[2]。利用现代教育技术对实验进行改进得到更准确的实验结论，提高了课堂的完整性，何乐而不为呢！

参考文献：

[1]人民教育出版社教材编写组.普通高中课程标准实验教科书 物理（选修3-1）[M].北京：人民教育出版社，2010.

[2]吴俊杰.用摄像头和频闪截频技术研究单板运动[J].物理教师，2006，27（10）：37-38.endprint