應(yīng)用視頻分析軟件測單擺周期和重力加速度

劉婷 彭朝陽

摘 要：在用單擺測重力加速度的實驗中運用Tracker軟件實時捕捉擺球的運動情況，得到圖像，并擬合出振動方程，得到周期T，根據(jù)單擺的周期公式測得當(dāng)?shù)氐闹亓铀俣取?/p>

關(guān)鍵詞：單擺； 測重力加速度； 視頻分析； Tracker

中圖分類號：G633.7 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-6148（2016）4-0056-2

單擺測重力加速度是高中物理中很重要的實驗，其實驗原理是通過測出單擺擺長L和周期T，根據(jù)單擺的周期公式T=2π得出重力加速度。在傳統(tǒng)實驗操作中多采用秒表手動計時來測量周期T，為了減小實驗誤差要求至少測3次30～50個全振動的時間取平均值。這種方式雖然能培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)肅認(rèn)真、腳踏實地的實驗作風(fēng)，但測量時間長，機械重復(fù)，疲勞程度大。而且在實驗中盡管注意力高度集中，由于個人反應(yīng)時間的差異導(dǎo)致同學(xué)們測量結(jié)果之間離散性大。本文從信息技術(shù)與物理教學(xué)整合的角度出發(fā)，應(yīng)用視頻跟蹤分析與建模軟件Tracker捕捉擺球的運動，得到擺球的振動曲線并擬合出振動方程，從而得到振動周期。這解決了傳統(tǒng)實驗方法中測量周期費時，勞動強度大，結(jié)果離散性大的問題。

1 Tracker軟件簡介

Tracker軟件是一款免費的視頻跟蹤分析和建模工具軟件，可以手動或自動跟蹤視頻中對象的位置、速度和加速度并動態(tài)顯示。利用軟件強大的繪圖功能還可以實時得到相應(yīng)的圖像。通過錄制實驗視頻，用軟件對一段視頻進行定量分析，以簡潔高效的數(shù)據(jù)分析手段揭示物理規(guī)律。這樣大大降低了實驗成本，同時也可以拓展學(xué)生的視野增強學(xué)生實驗的興趣和參與度。

2 實驗操作

2.1 視頻的錄制

實驗視頻的錄制可以使用普通攝像頭、數(shù)碼相機、攝像機、手機等設(shè)備。在實驗視頻錄制的過程中應(yīng)盡量保證鏡頭與實驗平面垂直并穩(wěn)定，建議使用三腳架固定錄制設(shè)備。為了便于軟件準(zhǔn)確捕捉運動對象，應(yīng)使用與研究對象顏色反差大的背景。用圖1所示裝置進行實驗并錄制視頻。

2.2 視頻分析

啟動Tracker軟件，將錄制的實驗視頻導(dǎo)入。用軟件的播放功能對視頻進行回放，確定視頻分析的起始幀和結(jié)束幀。添加直角坐標(biāo)系并將坐標(biāo)原點拖動到擺球球心處，如圖2所示。

創(chuàng)建一個質(zhì)點對象，按下Ctrl+Shift鍵，將出現(xiàn)的白色圓形光標(biāo)定位到標(biāo)記位置，鼠標(biāo)單擊后將彈出“Autotracker”對話框。在對話框中點擊“搜索”，軟件將自動追蹤目標(biāo)的位置，并實時記錄位移與時間數(shù)據(jù)，自動描繪出位移-時間圖像（如圖3所示）。數(shù)據(jù)采集完畢，軟件自動繪出x-t圖像（如圖4所示）。

2.3 圖像分析及擬合

雙擊x-t圖像進入數(shù)據(jù)工具界面，點擊“Analyze”按鈕，勾選“擬合”選項。由于單擺振動方程是x=Asin（ωt+φ），所以我們選擇正弦曲線擬合。調(diào)整參數(shù)，使擬合的曲線與圖像重合，從而得到振動方程，通過T=算出單擺的周期。如圖5所示。

3 數(shù)據(jù)分析

實驗中通過改變擺長測出5組數(shù)據(jù)。如表1所示。

4 總 結(jié)

用Tracker軟件分析單擺實驗數(shù)據(jù)既可以減小實驗誤差，又可以使學(xué)生在實驗過程中不產(chǎn)生厭倦心理，同時有助于開闊學(xué)生眼界，并從圖像、方程等多種途徑來分析實驗數(shù)據(jù)，使學(xué)生能對實驗數(shù)據(jù)有更深入的理解。而且Tracker軟件對視頻拍攝設(shè)備要求不高，能方便師生發(fā)現(xiàn)生活中的物理現(xiàn)象探尋物理規(guī)律，是信息技術(shù)與物理教學(xué)整合的一個有效的應(yīng)用。

參考文獻：

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（欄目編輯 王柏廬）