视频分析软件改善物理实验教学

　摘 要：实验是高中物理的基础，教学中经常要通过测量得出物体的运动学参量随时间变化的规律。本文以Tracker软件研究平抛运动规律和验证动量守恒定律为例，展现该软件在这方面的强大功能。另外，该软件还具有成本低、操作简单、易于推广等特点，如果在高中教学中加以利用，有助于学生在探索认识物理世界的同时，更便捷、直观地掌握物理学的基本知识和技能，体验、领悟科学研究方法，建立科学的价值观。 
　　关键词：Tracker软件；平抛运动；动量守恒 
　　中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148（2016）2-0010-2 
　　1 引 言 
　　当今世界人类的生活离不开高科技产品，它使我们的生活变得方便、快捷、丰富多彩，在物理教学方面同样如此。偶然的机会接触到了视频处理软件——Tracker。在实际教学中，人教版必修1物理教材中提到过类似的工具，但没有把它展示给学生，而且可能教师也没有接触过这个软件。笔者经过一段时间的摸索，发现Tracker软件功能强大，物理运动学中的实验基本上都能够很方便地使用这个软件，并且不需要打点计时器、秒表和光电门等实验仪器的辅助。下面将详细介绍该软件，并以一个实验为例，展示其在实验教学中的强大功能。 
　　2 软件使用 
　　打开Tracker软件（如图1所示），选择主菜单的“视频—导入按钮”，将视频加载，通过“视频—剪辑设定”对视频起始帧和终止帧进行设定，并按下列基本步骤进行分析。 
　　1）设定参考坐标。选择“轨迹—坐标轴—显示”建立正交的坐标轴。 
　　2）进行参考尺寸的定标。由于在视频中无法看出真正下落的距离，所以在视频背景中要预先设定已知长度的参照物。 
　　3）选定研究对象。本实验的研究对象是球，选择“轨迹—新建—质点”按钮，创建质点“Mass A”代表球。 
　　4）进行轨迹控制。Tracker轨迹控制的方式有两种：一种是自动追踪，按住Shift+Ctrl键，出现1个圆圈，通过这个圆圈标示出研究的对象，在后面的视频中软件可以自动追踪研究对象的位置。自动追踪容易出现的问题是当视频中的物体运动速度过快时，或者附近有相似颜色的物体时会出现追踪偏差。第二种是自行打点追踪，按住Shift键，出现1个光标，选取皮球上的标示点作为研究点，点击鼠标左键，软件自动记录其位置和当前视频时间，视频会进入到下帧，依次用鼠标点击研究点连续获得其位置随时间的变化。 
　　5）显示图像，依据获取的位置和时间坐标Tracker 可以同步绘制出其位移和速度随时间的变化曲线。 
　　2.1 验证碰撞过程动量守恒实验 
　　实验仪器：气垫导轨、两个碰撞用的小车，iphone6手机、标示清楚的直尺（放于视频的背景中，用于后面定标）、木头垫子两个。用iphone6手机记录下两滑块在气垫导轨上的碰撞过程。滑块1的质量m1=160.1 g，滑块2的质量m2=282.2 g，滑块2在碰撞前速度为零。以下各图展示了实验的情况： 
　　在图2中碰撞前和碰撞后的速度随时间变化的图像都是直线，这表明碰撞前后滑块都是在做匀速直线运动。另外，从图中可以观察到碰撞后的斜率比碰撞前的斜率小，这说明碰撞后滑块的速度比碰撞前小。两条直线应满足函数式： 
　　y=A*t+B。 
　　通过数据拟合得到两条直线的斜率（也就是速度大小），滑块1碰撞前的速度v1=0.467 m/s[如图2（a）中箭头部分所指A的值]，碰撞后的速度v2=0.160 m/s[如图2（b）中箭头部分所指A的值]。 
　　同样的方法可以得到滑块2碰撞后的速度v2=0.504 m/s（如图3中箭头部分所指A的值）。 
　　接下来验证碰撞前后系统的动量是否守恒：