基于Tracker軟件驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新設(shè)計(jì)

摘" 要" 利用Tracker軟件代替打點(diǎn)計(jì)時(shí)器驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律，通過(guò)Tracker軟件追蹤物體運(yùn)動(dòng)軌跡，并且處理分析錄制視頻，克服實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理煩瑣的弊端。機(jī)械能守恒定律改進(jìn)實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蛴行p小誤差，使數(shù)據(jù)處理更快捷、直觀，縮短處理數(shù)據(jù)時(shí)間，實(shí)驗(yàn)操作時(shí)間和空間更靈活。Tracker軟件技術(shù)與物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)融合是教育改革的一種趨勢(shì)，開(kāi)創(chuàng)了全新的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，提供了學(xué)生體驗(yàn)優(yōu)化的實(shí)驗(yàn)方案，增強(qiáng)了課堂教學(xué)的滲透力，能有效提高學(xué)生的綜合能力與核心素養(yǎng)。

關(guān)鍵詞" 高中物理；機(jī)械能守恒定律；Tracker軟件；打點(diǎn)計(jì)時(shí)器

中圖分類號(hào)：G633.7" "文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2024）23-0-04

0" 引言

《教育部關(guān)于加強(qiáng)和改進(jìn)中小學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的意見(jiàn)》（教基〔2019〕16號(hào)）、《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》等明確要求，要積極探索信息技術(shù)與物理教學(xué)的深度融合，要重視數(shù)字實(shí)驗(yàn)，創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)方式[1]。黨的二十大報(bào)告提出推進(jìn)教育數(shù)字化。智能化環(huán)境為教育創(chuàng)新提供了充分的條件，信息技術(shù)與物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)融合是教育改革的一種趨勢(shì)。提倡教育數(shù)字化、信息化，可以把信息技術(shù)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)的難點(diǎn)相結(jié)合，利用計(jì)算機(jī)軟件融合物理實(shí)驗(yàn)，使實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理更精準(zhǔn)、更高效，實(shí)驗(yàn)結(jié)果更直觀，實(shí)驗(yàn)操作更簡(jiǎn)化[2]。

人教版普通高中物理教材中的“驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律”是學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)課，要求學(xué)生獨(dú)立做實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律。本文利用Tracker軟件代替打點(diǎn)計(jì)時(shí)器驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律，既可以讓學(xué)生樂(lè)于參與實(shí)驗(yàn)，對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程保持濃厚興趣，提高其學(xué)習(xí)的主動(dòng)性，又能夠提高學(xué)生的科學(xué)思維能力。Tracker軟件是一款影像追蹤分析物理軟件，可以追蹤運(yùn)動(dòng)的物體，獲取研究物體的運(yùn)動(dòng)軌跡數(shù)據(jù)，快捷、高效地分析數(shù)據(jù)，因此成為一款新穎的物理教學(xué)工具[3]。

1" 教材中對(duì)機(jī)械能守恒定律驗(yàn)證存在的不足

物體做自由落體運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)中，利用計(jì)時(shí)儀器打點(diǎn)計(jì)時(shí)器記錄物體運(yùn)動(dòng)的時(shí)間，打在紙帶上的點(diǎn)對(duì)應(yīng)記錄運(yùn)動(dòng)物體的位置，從而分析物體運(yùn)動(dòng)情況，分析紙帶進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。筆者結(jié)合做此實(shí)驗(yàn)的經(jīng)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)此實(shí)驗(yàn)存在以下不足。

1.1" 系統(tǒng)誤差無(wú)可避免

重錘下落過(guò)程中，紙帶與打點(diǎn)計(jì)時(shí)器間摩擦產(chǎn)生阻力；下落過(guò)程受空氣阻力影響，需要克服阻力做功，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)出現(xiàn)誤差。

1.2" 偶然誤差不好控制

一是釋放紙帶做實(shí)驗(yàn)時(shí)，常常因?yàn)槿藶橐蛩囟^難控制重錘自由下落的要求；

二是安裝固定打點(diǎn)計(jì)時(shí)器，實(shí)驗(yàn)者較難控制兩個(gè)限位孔在同一豎直面，也會(huì)增大摩擦力；

三是在處理紙帶測(cè)量距離過(guò)程中也會(huì)出現(xiàn)讀數(shù)誤差。

1.3" 完成實(shí)驗(yàn)較煩瑣

需要多次重復(fù)做實(shí)驗(yàn)，為了符合實(shí)驗(yàn)條件要求，選擇最初兩點(diǎn)間的距離接近2 mm的最好的紙帶，還要選取點(diǎn)跡最清晰的紙帶。

1.4" 數(shù)據(jù)處理受限制

在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理過(guò)程中需要選擇計(jì)數(shù)點(diǎn)，傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)一般要求每隔四個(gè)點(diǎn)取一個(gè)計(jì)數(shù)點(diǎn)，時(shí)間間隔恰好為0.1 s。數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)就是為了計(jì)算的方便，在數(shù)據(jù)處理過(guò)程中選擇打點(diǎn)計(jì)時(shí)器打出來(lái)的點(diǎn)受到限制，不能任意選取某一點(diǎn)。

2" 實(shí)驗(yàn)改進(jìn)方案

為了避免利用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器等儀器完成驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律實(shí)驗(yàn)，數(shù)據(jù)處理較煩瑣、實(shí)驗(yàn)誤差較大的弊端，本文利用Tracker軟件替代打點(diǎn)計(jì)時(shí)器驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律，可以有效減少實(shí)驗(yàn)誤差，簡(jiǎn)化實(shí)驗(yàn)方案。

1）為了保證重錘下落初速度穩(wěn)定為零，滿足自由下落的要求，將重錘用細(xì)線固定在上端，實(shí)驗(yàn)時(shí)用火燒斷線，重錘可以達(dá)到自由釋放，保證初速度為零，讓其做自由落體運(yùn)動(dòng)。

2）利用Tracker軟件代替打點(diǎn)計(jì)時(shí)器驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律，Tracker軟件能夠自動(dòng)追蹤研究物體的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，采集研究物體的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，自動(dòng)高效地分析數(shù)據(jù)。

本文將Tracker軟件運(yùn)用于機(jī)械能守恒實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證在只有重力做功的條件下物體機(jī)械能守恒。

3" 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

3.1" 實(shí)驗(yàn)原理

首先通過(guò)拍攝重錘自由落體運(yùn)動(dòng)的視頻，導(dǎo)入計(jì)算機(jī)Tracker軟件，利用Tracker追蹤物體運(yùn)動(dòng)軌跡、分析數(shù)據(jù)，根據(jù)所要數(shù)據(jù)處理動(dòng)能和重力勢(shì)能。由于Tracker軟件的數(shù)據(jù)處理能自動(dòng)計(jì)算動(dòng)能和重力勢(shì)能，因此，只需要提取所需要的物理量y、Ep、K與t的數(shù)據(jù)，將系統(tǒng)處理的數(shù)據(jù)復(fù)制到Excel表中，通過(guò)Excel的求和公式計(jì)算各時(shí)刻動(dòng)能與重力勢(shì)能之和，即機(jī)械能的大小，從而驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律。

3.2" 實(shí)驗(yàn)操作

3.2.1" 實(shí)驗(yàn)器材

固定裝置、重錘、輕繩、火源、刻度尺、智能手機(jī)、電腦等。

3.2.2" 實(shí)驗(yàn)步驟

1）拍攝視頻。打開(kāi)手機(jī)，錄制重錘自由下落過(guò)程，保證錄制的視頻清晰。

2）處理實(shí)驗(yàn)視頻。打開(kāi)Tracker軟件，在界面把錄制好的視頻直接拖入，建立直角坐標(biāo)系，右鍵單擊坐標(biāo)軸進(jìn)行鎖定，選擇不可見(jiàn)。使用實(shí)際物體已知長(zhǎng)度定標(biāo)，然后在定標(biāo)桿中部輸入實(shí)際的長(zhǎng)度。單擊“播放”按鈕，可查看物體的運(yùn)動(dòng)軌跡及其在屏幕上顯示位置的記錄。設(shè)置確定視頻的起止幀，調(diào)節(jié)幀率，選擇質(zhì)點(diǎn)跟蹤物體。按住Ctrl、Shift+鼠標(biāo)左鍵，接著軟件自動(dòng)追蹤即可，如圖1所示。

軟件主界面右側(cè)的畫(huà)圖區(qū)域會(huì)自動(dòng)呈現(xiàn)y-t圖像，如圖2所示。

也可以點(diǎn)擊圖像縱坐標(biāo)選擇K動(dòng)能，就能顯示出K-t函數(shù)圖像。點(diǎn)擊圖像縱坐標(biāo)按鈕定義，可以添加想要得到的函數(shù)圖像。本文需要計(jì)算重力勢(shì)能，點(diǎn)擊圖像縱坐標(biāo)按鈕定義，可以添加重力勢(shì)能的函數(shù)，點(diǎn)擊func，刪除func，重新輸Ep，在對(duì)話框輸入函數(shù)表達(dá)式m*g*y，m和y必須從下拉菜單選擇，否則函數(shù)創(chuàng)建失敗。點(diǎn)擊回車鍵，顯示灰色表示創(chuàng)建函數(shù)成功。本文想要K-t函數(shù)圖像和Ep-

t圖像，就使用軟件的“分析”功能進(jìn)行擬合，如圖3所示。

主界面右側(cè)的表格中會(huì)自動(dòng)顯示物體運(yùn)動(dòng)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，包括時(shí)間t、x軸、y軸，從而完成物體運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)的采集。在該實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理中，點(diǎn)擊右側(cè)的表格倒小三角，跳出對(duì)話框勾選t、K、Ep；點(diǎn)擊畫(huà)圖區(qū)域y軸選擇需要的物理量，軟件會(huì)跳出圖像；點(diǎn)擊表格可以選擇實(shí)驗(yàn)需要分析的物理量，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，得到本文所用的數(shù)據(jù)t、y、K、Ep，如圖4所示（分兩次截圖）。

4" 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及處理

由于Tracker軟件數(shù)據(jù)處理自動(dòng)計(jì)算動(dòng)能和重力勢(shì)能，測(cè)量重錘質(zhì)量為1 kg，只需要提取所需要的物理量y、Ep、K與t的數(shù)據(jù)，將系統(tǒng)處理的數(shù)據(jù)復(fù)制到Excel表中，通過(guò)Excel的求和公式計(jì)算各時(shí)刻機(jī)械能的大小和相對(duì)誤差，見(jiàn)表1。

由表1得出，由于機(jī)械能值無(wú)法查詢真實(shí)值，計(jì)算時(shí)用平均值代替真實(shí)值，計(jì)算出相對(duì)誤差均小于1%，實(shí)驗(yàn)效果非常理想，在誤差允許的范圍內(nèi)，重錘做自由落體過(guò)程中動(dòng)能與重力勢(shì)能相互轉(zhuǎn)化，但是機(jī)械能的總量保持不變。利用Tracker軟件驗(yàn)證只在重力做功的情況下，物體的機(jī)械能守恒。

5" 實(shí)驗(yàn)改進(jìn)優(yōu)勢(shì)

使用Tracker軟件代替?zhèn)鹘y(tǒng)打點(diǎn)計(jì)時(shí)器驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律的實(shí)驗(yàn)，使得實(shí)驗(yàn)裝置變得簡(jiǎn)單，實(shí)驗(yàn)器材取材方便易得，只要一部智能手機(jī)、小球和定標(biāo)桿，學(xué)生就能自己在家完成實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)過(guò)程變得有趣簡(jiǎn)化，節(jié)約了實(shí)驗(yàn)操作時(shí)間，具有高效直觀的特點(diǎn)，可以有效減少實(shí)驗(yàn)誤差，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理更精確，提高學(xué)生的參與度。總之，利用Tracker軟件強(qiáng)大的追蹤功能和計(jì)算繪圖特點(diǎn)，可以激發(fā)學(xué)生探究實(shí)驗(yàn)的興趣。

6" 利用Tracker軟件等信息技術(shù)創(chuàng)新設(shè)計(jì)

物理實(shí)驗(yàn)，可以優(yōu)化物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果

使用Tracker軟件等信息技術(shù)開(kāi)創(chuàng)全新的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式，增強(qiáng)物理課堂教學(xué)的滲透力，提高物理實(shí)驗(yàn)課堂的趣味性，讓學(xué)生喜歡上物理課。將Tracker軟件等信息技術(shù)與物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)相融合，可以優(yōu)化物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果，具體表現(xiàn)如下。

6.1" 實(shí)驗(yàn)可控性提高

傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)一般要求每隔四個(gè)點(diǎn)取一個(gè)計(jì)數(shù)點(diǎn)，時(shí)間間隔恰好為0.1 s，數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)就是為了計(jì)算的方便，不能任意選取某一點(diǎn)。利用Tracker軟件處理數(shù)據(jù)，學(xué)生可以選擇更適合數(shù)據(jù)處理的時(shí)刻分析數(shù)據(jù)。

6.2" 實(shí)驗(yàn)操作時(shí)間和空間更靈活

利用信息技術(shù)進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)或遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可以在任何時(shí)間和地點(diǎn)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，不再受限于實(shí)驗(yàn)室的開(kāi)放時(shí)間，這樣就為學(xué)生提供了更大的靈活性和自主性，讓他們能夠根據(jù)學(xué)習(xí)進(jìn)度安排實(shí)驗(yàn)時(shí)間。

6.3" 實(shí)驗(yàn)重復(fù)性與可比性提高

在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生可能由于種種原因無(wú)法反復(fù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)或者數(shù)據(jù)處理，從而限制了實(shí)驗(yàn)結(jié)果的復(fù)現(xiàn)性和可比性。利用Tracker軟件，學(xué)生可以隨時(shí)重復(fù)實(shí)驗(yàn)過(guò)程或者進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，提高實(shí)驗(yàn)結(jié)果的精準(zhǔn)性，并能快速進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)比較分析。

6.4" 數(shù)據(jù)獲取與分析更便捷

利用信息技術(shù)可以通過(guò)傳感器和儀器實(shí)時(shí)采集與記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并提供給學(xué)生進(jìn)行分析和處理。這樣可以減少學(xué)生手工記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的錯(cuò)誤，提高數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性，同時(shí)可以提供更多的數(shù)據(jù)處理和圖像展示方式供學(xué)生分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

總之，利用信息技術(shù)改進(jìn)物理實(shí)驗(yàn)，可以提高實(shí)驗(yàn)的安全性和可控性，增強(qiáng)時(shí)間靈活性，提高實(shí)驗(yàn)重復(fù)性與可比性，并提供便捷的數(shù)據(jù)獲取與分析手段。這些優(yōu)勢(shì)可以使學(xué)生獲得更好的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，加深對(duì)物理原理的理解，并培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)處理和科學(xué)思維等能力。

7" 結(jié)束語(yǔ)

筆者利用Tracker軟件有效地驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律[4]，可得到極其精確的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，使學(xué)生對(duì)于機(jī)械能守恒這一物理規(guī)律的學(xué)習(xí)更為清晰。利用信息技術(shù)創(chuàng)新設(shè)計(jì)高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)，可以豐富教學(xué)手段，提供更多的實(shí)踐機(jī)會(huì)，激發(fā)學(xué)生的興趣和參與度，并提供個(gè)性化學(xué)習(xí)支持和多樣化教學(xué)反饋，進(jìn)而增強(qiáng)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果。另外，利用Tracker

軟件還可以進(jìn)行平拋運(yùn)動(dòng)、單擺運(yùn)動(dòng)、豎直上拋運(yùn)動(dòng)、斜拋運(yùn)動(dòng)等傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，學(xué)生很樂(lè)于參與實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)過(guò)程興趣濃厚，不僅提高了學(xué)習(xí)的主動(dòng)性，拓展了知識(shí)面，而且把抽象復(fù)雜的問(wèn)題變得形象直觀。在Tracker軟件的追蹤軌跡過(guò)程中，可以更好地建構(gòu)物理規(guī)律，優(yōu)化高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果[5]。

8" 參考文獻(xiàn)

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