利用“時空定格”記錄運動軌跡增強實驗可視化

連彬星 李明哲

（1.福建師范大學平潭附屬中學，福建 福州 350400；2.福建師范大學附屬中學，福建 福州 350000）

1 引言

運動學是高中物理學的基礎，勻變速運動、拋體運動、曲線運動、圓周運動等都是教學的重難點.［1］高中學生對于有些運動缺乏直接體驗，感覺抽象，理解不深刻.物體到底做什么運動？只有理論的講解明顯是不夠的，增強運動過程可視化的重要性不言而喻.在課堂中直觀展示物體的運動軌跡能夠吸引學生參與課堂觀察，使學生獲得形象、直觀、真實的認知體驗，不僅能提高物理實驗演示效果還能促進學生科學思維的發(fā)展.［2］

在當前的物理教學中，打點計時器、頻閃照相、視頻慢動作是3種較為常見的記錄物體運動軌跡的方法，現(xiàn)對比如下（見表1）.

表1

以上3種是物理教學中常用的留跡方法，優(yōu)缺點明顯.筆者找到另一種只需要手機，可同時看到不同時刻物體的運動位置，操作簡單的留跡方法——“時空定格”.此方法記錄物體間隔相等時間的實際運動照片，可同時看到不同時刻的運動位置，適用于大部分物體運動.以下介紹“免ROOT自動化助手”和“Snapseed”兩款軟件，依次使用可產(chǎn)生“時空定格”效果，能直觀展示物體的運動軌跡.該方法可在物理課堂中進行實時操作展示，不僅節(jié)約時間成本，還大大增強物體運動的可視化效果.

2 軟件介紹與實踐

2.1 利用“免ROOT自動化助手”軟件實現(xiàn)間隔相同時間拍照

圖2

圖3

圖4

圖5

圖6

圖7

圖8

以上步驟可在教學開始前設置好，教學過程中可連接希沃白板現(xiàn)場展示自動拍照過程.

2.2 利用“Snapseed”軟件疊加照片實現(xiàn)時空定格

①手機下載軟件“Snapseed”（圖標 如圖9）.打開系 統(tǒng)自動間隔相同時間拍好的照片（如圖10以紅蠟塊在水中上升為例），點擊工具，選擇雙重曝光（如圖11）.

圖1

圖9

圖10

圖11

② 再添加下一張照片，點擊工具，選擇雙重曝光，調(diào)暗（如圖12）.即可實現(xiàn)兩張照片疊加.重復操作，可得到一系列照片的疊加（如圖13）.

圖12

圖13

本方法的優(yōu)勢：物理課堂教學中，手機投屏后可現(xiàn)場操作向?qū)W生展示，把間隔相同時間的照片進行疊加，實現(xiàn)“時空定格”，物體運動軌跡一目了然，學生可直觀感受到物體的運動情況.以圖13為例，此方法可真實記錄下紅蠟塊在水中上升時的運動軌跡，發(fā)現(xiàn)相同的時間間隔，蠟塊向上運動距離幾乎相等，紅蠟塊在這段過程中向上做勻速直線運動.不僅增加實驗現(xiàn)象的可視化，還能繞過相對抽象的受力分析，直擊物體運動的性質(zhì).本方法大大節(jié)約時間成本，儀器簡單，操作方便，現(xiàn)場效果好.

3 在物理教學中的應用

在高中物理教學中，筆者發(fā)現(xiàn)“時空定格”效果還能在很多地方得到應用.現(xiàn)舉例如下.

（1）測量瞬時速度與加速度：設定好相等的間隔時間，在背景處放一刻度尺，從疊加的照片中測量得到相鄰物體的位移大小.通過平均速度法得到物體在某一時刻的瞬時速度大小，根據(jù)鄰差法或逐差法可以計算得到物體加速度大小.

（2）運動合成與分解：兩個分運動為勻速直線運動（電動機勻速拉動透明管向右運動，蠟塊在水中勻速上升），蠟塊實際的運動即合運動的軌跡是什么樣的（如圖14），實際做什么運動？觀察后發(fā)現(xiàn)合運動也為勻速直線運動.再比如一個分運動為勻速直線運動（蠟塊在水中勻速上升），另一個分運動為加速直線運動（透明管向右加速運動），蠟塊合運動的軌跡是什么樣的？（如圖15所示）觀察后發(fā)現(xiàn)合運動為曲線運動.

圖14

圖15

（3）平拋運動兩個方向上的運動性質(zhì)：利用平拋演示儀（如圖16所示），間隔相同時間拍攝平拋運動與水平勻速直線運動的照片，疊加后發(fā)現(xiàn)同一時刻兩球都運動到同一水平位置，可得到平拋運動在水平方向的運動為勻速直線運動.同理也可得到豎直方向的運動性質(zhì)為自由落體.

圖16

（4）彈簧振子和單擺運動：照片疊加后對比相同時間經(jīng)過的位移大小，可得到經(jīng)過平衡位置附近位移較大，速度較大.

（5）橫波的傳播：從疊加后的照片中，可觀察波的傳播情況，測量波長并計算波速.

4 總結(jié)反思

本文介紹了一種由“免ROOT自動化助手”于相同的時間間隔獲得物體的照片，通過軟件“Snapseed”對照片進行雙重曝光疊加，記錄下物體運動軌跡，實現(xiàn)時空定格的方法.該方法可實時直觀演示物體的運動過程，不僅能解決常規(guī)方法在教學中遇到的問題，又能提升抽象運動的可視化效果，進一步提升教學效果和學生對運動性質(zhì)的理解.［3］此方法很好地展示了物理教學與現(xiàn)代信息技術的融合，對提高課堂教學效果具有積極意義.