用Tracker软件验证斜抛运动的机械能守恒定律①

(福建省泉州市第十一中学，福建 泉州 362011)

1 引言

高中物理实验教学不只是理论知识的传授，应更注重学生在实验探究过程中动手做、动脑思等能力的培养。在高中物理实验教学中，如果把信息技术与教学中存在的实验难点进行融合，有利于打破现有实验仪器、环境条件和时空的限制，既丰富了物理实验的形式，给学生带来更直观的展示，降低了实验的难度，还能开拓学生的视野，提高其科学思维能力。

Tracker软件作为目前广泛使用的一种视频分析软件，该软件能实现对运动物体的追踪，获得研究对象的运动数据，能简洁、高效地分析数据，揭示数据背后所隐藏的物理规律。

2 教材中对机械能守恒定律验证存在的不足

在很多教材中，“验证机械能守恒”的实验装置都是采用图1所示的装置，利用自由落体运动来验证机械能守恒定律。该装置经过一线教师的教学实践和专家、学者的研究，发现存在如下问题。

图1

2.1 实验误差大

一是纸带下落过程中与打点计时器间存在摩擦，导致纸带上的点有拖痕，使实验数据存在偏差；二是学生在释放纸带的瞬间，常常因为手的抖动造成初速度不为零，影响起始点的选取。

很多一线教师在教学中常引导学生对起始点和第n点进行分析验证，比较ΔEp和ΔEk的关系，得出结论：在误差允许范围内，机械能守恒。对于起始点初速度是否为零，教师通常采用的是选择最初两点距离接近2mm的纸带进行研究，在实践操作中通过反复实验发现，即使重物下落的初速度不为零，纸带最初两点间的距离也可能接近2mm，在数据分析时还会出现ΔEk大于ΔEp的情况。这会对学生造成困惑，一方面是他们不清楚最初两点间距离接近2mm的缘由，另一方面是重锤下落过程中需克服摩擦力做功，这样会导致ΔEk小于ΔEp，与数据分析结果相矛盾。

2.2 花费时间长

学生要花费大量时间处理繁琐的实验数据，数据处理的结果往往因误差太大，从而得不到结论。

2.3 验证范围小

教材中采用“自由落体运动”验证机械能守恒定律，得出其机械能守恒条件，不具有普遍性。教材后续章节出现了几种初速度不为零的抛体运动，对于这些运动过程中机械能是否守恒，学生仍存有疑问。

3 利用Tracker软件对斜抛运动的机械能守恒进行验证

3.1 视频录制

用智能手机录制学生在课堂上斜抛棒球的视频，录制时保证镜头正对学生，再将视频同步传到电脑上。

3.2 视频处理

打开Tracker软件，导入学生斜抛棒球的视频。利用软件中的播放功能设置好要分析视频的起止帧，设定坐标系，可以用黑板、墙壁作为背景，以竹竿或黑板高作为标杆设定参考尺寸。选定棒球作为研究对象，并视作质点，选择“轨迹—新建—质点”按钮，创建质点。按住Ctrl+shift键，界面会显示圆圈代表棒球位置，此时周边虚线框为下一次质点可能出现的位置。采用手动打点追踪方式采集多个数据，点击表格可以增加所需要的物理量数据采集(图2)。

图2

3.3 数据处理

在该实验中，棒球质量不需要测量，只需要提取x、y、v与t的数据，将需要的数据复制到Excel中，利用Excel自带的公式编辑器计算出小球的动能、重力势能及机械能的大小，从测量数据及其计算结果可以发现：在实验误差允许的范围内，小球的机械能守恒(表1)。

表1

3.4 实验改进优势

该实验精简了实验装置，流程也进一步简化，实验误差小，增大了课堂信息量，节约了实验操作时间。另外利用该软件还可以根据需要描绘出棒球重力势能、动能等其他物理量随时间变化的图像。对于仅有弹力作用下的物体的运动、平抛运动、竖直上抛运动、自由落体运动等传统实验，也能通过一部智能手机、一个小球和定标杆就能在课堂上完成。学生对此实验兴趣盎然、参与程度高，从而提高了他们学习的主动性。

4 巧用信息技术手段 提高物理实验教学效果

4.1 直观展示，加深物理规律的理解

物理学是以实验为基础的一门自然科学，但是很多高中生对物理的学习大多停留在概念、规律、公式、结论的记忆上，这导致学生对物理实验的自主设计、拓展创新、问题解决等方面还存在较大问题。在物理实验练习中，学生常用“套公式”“背结论”的手段解答，而不考虑实验过程。因此在高中物理实验教学中，如果能把信息技术与实验教学进行有机融合，在传统实验的基础上适当进行拓展，可以培养、提升学生解决问题的能力。比如通过多媒体等信息技术播放教学中一些难以演示和观察的实验现象，如“微观世界中的分子运动”“光电效应”“天体运动”“微小形变”“磁场电场分布情况”等，学生印象深刻，可帮助他们建立丰富的感性认识。

4.2 突破难点，提高实验探究的实效性

利用信息技术手段可以突破实验教学的瓶颈，帮助学生建立物理情景，抓住重点、突破难点，更好地理解物理概念和规律。利用信息技术手段可以提高实验教学的直观性和整体效益，特别是在物理实验教学的探究环节。在传统实验的基础上，利用信息技术手段可以优化实验设计，缩短操作时间，让学生有更多的时间自主选择合适的方案进行探究活动。例如在机械能守恒定律的实验中，除了可以验证在重力作用下做自由落体运动的物体的机械能守恒，还可以验证只在弹力作用下的物体的运动、单摆振动、抛体运动中的机械能守恒。

5 结语

信息技术与物理实验教学的深度融合已成为当前教育发展的一种趋势，这样的融合既弥补了传统教学中的不足，提供了丰富的教学资源，又可以对很多在课堂中无法做到的实验操作进行演示，不仅提高了学生的学习兴趣，丰富了学生的物理实验知识，而且还有助于突破实验教学中的难点，为提高高中物理教学质量与效率提供坚实的保障。