基于Tracker软件对探究动能大小影响因素实验进行定量分析

苏攀 代珍兵 胡优良

摘   要：对人教版物理八年级下册“探究动能大小影响因素”教学演示装置进行创新设计，提高了实验过程的操作性和现象的直观性。通过Tracker软件将测量结果数字化，进一步提高了实验的科学性和准确性。

关键词：动能;辅助教学;Tracker软件;实验

中图分类号：G633.7 文献标识码：A     文章编号：1003-6148（2021）6-0044-3

通过对《义务教育物理课程标准（2011年版）》[1]（以下简称为《课标》）的解读，初中阶段要求学生知道动能，通过实验了解动能和势能的转化。落实到教学中，动能大小的影响因素是本节学习的难点。《课标》指出，要重视科学探究式教学，发挥实验在物理教学中的重要作用，本实验作为科学探究式教学模式的重要组成，其重要性彰明较著。《课标》还强调，学生是课堂的主体，因此进行学情分析对于教学来说十分重要。从认知能力方面来看，根据儿童心理学家皮亚杰的思想，该阶段的学生正处于形式运算阶段初期，在现有实验的基础上利用Tracker软件进行定量分析，有利于学生抽象逻辑思维水平的发展，让学生根据数据推导影响因素，并能自行推理当影响因素改变后，动能的变化。因而，利用Tracker视频分析软件对动能大小的影响因素实验进行定量分析也十分必要。

1    Tracker视频分析软件与教材现有实验分析

Tracker是在开源物理架构（Open Source Physics，简称OSP）下的一款开源视频分析软件，由Douglas Brown开发，是国外针对物理教育而设计的软件，可以手动或自动跟踪对象的位置、速度、加速度以及动能等物理量并动态显示，在操作时还可以根据需要定义新的物理量进行跟踪观察，是应用于物理视频跟踪分析的免费软件。利用Tracker追踪实验视频建模是一种教学新方法，它解决了过去物理实验教学过程中只能看现象却不能定量分析的问题。实验视频的获取也很容易，这些条件使得本实验实际操作性极强。

人民教育出版社出版的初中物理八年级下册第十一章《功和机械能》第 3 节《动能和势能》[2]中的实验“探究物体的动能跟哪些因素有关”，实验装置如图1所示，实验内容为： 让不同规格的钢球从斜槽不同位置滚下，通过与放置在水平木板上的小木块发生碰撞，将小木块的位移大小转化成钢球动能的大小，从而判断影响物体动能的因素。该装置具有结构简单、实验原理直观易懂的优点，但正因为其结构简单，导致实验的稳定性低，具体表现为：

（1）小球在倾斜轨道和水平轨道的能量损失较大，水平轨道上被碰撞的小木块移动并不明显;

（2）由于没有固定的轨道，小球会偏离预想的轨迹导致实验失败，增加实验的时间成本;

（3）木块碰撞后产生的位移由人工测量，其中有不可避免的误差，降低了实验的准确性。

2    探究动能大小影响因素的原理、器材和步驟

2.1    实验原理

让不同规格的钢球从斜槽不同位置滚下，同一质量的钢球在不同高度具有不同的重力势能; 钢球在重力作用下滚落，在滚落过程中重力势能转化成动能和内能，若忽略钢球因与轨道摩擦的内能损耗，同一质量的钢球开始滚落时高度越高，到达水平轨道时速度越大，动能越大。用手机拍下钢球运动的全过程，导入Tracker视频软件，对物体运动轨迹进行追踪，建立物理模型，绘制相应的v-Ek、Ep-Ek图像，对数据进行定量分析，并利用数据更直观、准确地呈现出实验结论。

2.2    实验器材

（1）三个直径分别为7.0 mm、9.0 mm、11.0 mm，不同质量的钢球，为便于叙述分别标注为1、2、3号钢球。

（2）PVC管，长度为70 cm。

（3）处理PVC管，在弯道外侧等间距切割管道的2/3，让轨道内侧能弯曲，制作光滑的弯道。

（4）实验仪器固定底座。

（5）可拍摄视频的电子设备一台，固定支架一个。

（6）Tracker视频分析软件：对手机拍摄的钢球在双斜面上的运动轨迹进行追踪，建立物理模型，绘制相应的物理图像，对数据进行定量分析，直观、形象地得出实验结论。

2.3    实验步骤

（1）自制动能大小影响因素实验演示仪，首先将轨道拼装完成，效果如图2所示。

（2）固定手机支架，固定好手机，开始录制钢球运动的视频。

（3）改变钢球下落高度，下落高度依次为h1=4 cm、h2=8 cm、h3=12 cm，录制三个视频。

（4）改变钢球质量，从同一高度下落，录制两个视频。

（5）将钢球运动轨迹视频导入Tracker视频分析软件。先选取1号钢球在最低下落高度释放进行分析，选取钢球释放点为坐标原点，以水平方向和竖直方向建立直角坐标系，在此基础上进行定标，以最高高度h3=12 cm为标尺。视频分析中的单位均为统一单位以便于计算。裁剪视频，点击左下角视频播放按钮，视频播放以帧为单位，帧是视频数据的最小单位，每一帧就是一幅静止的画;选取钢球释放点作为初始位置;到达水平面第二帧作为末位置，点击鼠标右键，选取初始位置对应的视频帧数作为视频的起始帧，末位置对应的视频帧数作为结束帧;对钢球运动轨迹进行追踪。为便于操作和减小实验的偶然误差，可适当滑动鼠标，增大或缩小视频画面，创建菱形质点m=1 kg，点击质点，摁下Shift键的基础上单击鼠标右键，每标记当下画面的质点，软件将自动跳到下一帧画面，直到所有画面标记上质点位置。右侧页面将依次出现相应的时间t所对应的x、y值和钢球运动轨迹，根据本实验目的选择动能和速度进行分析。

3    数据记录

1号钢球在h3处释放的运动轨迹追踪图像及每一帧对应的坐标位置如图3所示。

在表格处点击鼠标右键选择分析，横坐标选择t，纵坐标选择Ek（动能）。软件里没有定义重力势能，点击右下侧“表格”两个字，选中“定义”即出现如图4的窗口，根据实验目的，定义重力常数g，取值9.8，在数据函数栏目编辑新物理量名称以及表达式（图4）。

利用软件自动生成钢球运动速度与动能的坐标图以及重力势能与动能的坐标图，对应的数据也显示在窗口右侧（图3）。

依次将1号钢球从h2和h1处释放，重复步骤5，得到1号钢球在h2和h1处释放的动能图像以及速度与动能的数据（图5、图6）。

为探究动能与质量的关系，在h3处静止释放2号、3号钢球，重复步骤5得到相应的图像数据（图7、图8）。

4    数据分析与结论

通过上述数据记录，观察5组实验的图像与数据，钢球的动能与速度大小一目了然，整理数据可以得出表1。其中，m为钢球的质量，h为斜面竖直高度，v为钢球到达水平面第二帧时的速度大小，Ek为钢球到达水平面第二帧时的动能大小，Ep为钢球到达水平面第二帧时的重力势能大小。

由表中数据可以看出，随着钢球释放高度以及质量的变化，钢球的运动情况也随之改变。在控制钢球质量一定，增加释放高度时，速度逐渐增大，导致动能随速度的增大而增大，图像显示出两者成正比关系。在控制钢球释放高度一定，增加质量时，速度趋于稳定，导致动能随质量的增大而增大。

该实验除了得到教材要求的结论外，还可以用于后续重力势能与动能转换的教学中。从图像关系中得到，当到达水平轨道后，重力势能不再变化，动能便趋于稳定。

5    不足与展望

本实验基于教材的原实验进行改进，得到了新的实验操作方式，虽然得到了符合客观科学的结论，但仍存在一些不足。

（1）本实验器材尺寸的局限性导致钢球所能选择的质量范围小，数据过小，对钢球的质量进行了理想化处理。

（2）释放的高度范围小，数据数量受局限。

（3）实验视频录制的设备功能较弱，对质点的定位有所影响。

利用Tracker视频软件对实验视频直接分析，可以直接得到实验的实时相关数据，避免了因测量数据造成的实验误差，比原实验更加准确、科学。该软件操作简单，应用范围广泛，特别是对动量守恒验证实验的处理，一线教师可将其应用于实际教学中。

参考文献：

[1]中華人民共和国教育部.义务教育物理课程标准（2011年版）[S].北京：北京师范大学出版社，2012.

[2]人民教育出版社，课程教材研究所，物理课程教材研究开发中心. 义务教育教科书物理八年级（下册）[M].北京：人民教育出版社，2019. （栏目编辑    刘   荣）