Tracker軟件在初中物理教學中的應用實例
——以“蹦極過程中機械能及其轉化”為例

2021-03-04 05:42:38葛興爍李強

物理通報 2021年3期

葛興爍李強

(石家莊石門實驗學校河北石家莊 050024)

1 問題提出

【例1】(多選)(2019年·石家莊十八縣二模)如圖1所示，小明在做模擬“蹦極”的小實驗，一根橡皮筋一端系一個小石塊，另一端固定在A點，B點是橡皮筋不系小石塊自然下垂時下端所在的位置，C點是小石塊從A點自由釋放后所能達到的最低點，不計空氣阻力，關于小石塊從A點到C點運動過程的說法，正確的是( )

圖1 例1題圖

A．從A點下落到B點的過程中，小石塊受到重力和拉力的作用

B．從B點下落到C點的過程中，小石塊的動能先增大后減小

C．小石塊過B點后，動能和重力勢能都減小，橡皮筋的彈性勢能增大

D．若小石塊到達C點時外力消失，小石塊將靜止

本題考查的知識點有影響動能大小的因素、影響重力勢能大小的因素、動能和勢能的相互轉化、物體受力分析．因為題中物體運動過程復雜，涉及的知識點多，而且受力情況對應的運動情況和此過程中機械能及其相互轉化對初中學生來說比較抽象，所以難度頗大．本題參考答案是選項B，D，選項A是考查物體受力分析，相對來說是最容易判斷的，然而在其他3個選項中做出正確的判斷就有一定的難度了．

對于此類題目，如果學生應用所學知識做出正確的分析，要求是比較高的．同時，傳統教學過程是通過受力分析并結合物體運動狀態，分析小球在整個運動過程中動能、重力勢能、彈性勢能及其相互轉化，如圖2所示．由于初中生物理建模能力薄弱，對復雜運動過程中加速、減速情況對應的受力條件感性認識不足．因此，完整、正確地分析運動過程比較困難．有沒有比較簡便、形象的方法來解決此問題呢？

圖2 蹦極過程分析

2 利用Tracker軟件研究鐵球運動

Tracker軟件是一款簡捷的視頻分析軟件，可以追蹤選定研究對象的運動軌跡，大量數據分析可定量得到運動的規律[1]．借用Tracker 軟件可以輔助分析物體的真實運動情況，解決真實運動問題[2，3]．下面介紹用 Tracker軟件分析模擬“蹦極”實驗中鐵球運動的整個過程[4]．

2.1 運動軌跡拍攝和采點

用手機支架固定好手機，調整好拍攝角度，使鐵球(m=209 g)由靜止自由釋放，錄制鐵球下落過程．進入Tracker的主界面導入拍攝好的視頻，選取要分析的起始幀和結束幀進行追蹤．創建直角坐標系，并選取起始位置為坐標原點．根據視頻中標記位置的已知參考長度(42 cm)用以定標視頻中的長度．創建1個質點后，長按“Ctrl + Shift”鍵，同時用鼠標左鍵點擊鐵球，并選擇需要追蹤的鐵球的模板，選擇自動追蹤并按下搜索鍵，得到鐵球下落運動的軌跡點，如圖3所示．其中A點(采樣點0)為起始點，B點(采樣點4)為彈性繩原長位置，O點(采樣點10)為鐵球重力與所受彈性繩拉力相等的點，C點(采樣點18)為鐵球運動的最低點．

圖3 鐵球運動軌跡采樣點

2.2 數據處理與分析

圖4中上面是鐵球高度隨時間(h-t)的變化，下面為對應的速度隨時間(v-t)變化的圖像．由圖像中對應的采樣點可知，鐵球經過B點和O點的位置即為圖4虛線標注的采樣點．由圖可知，鐵球從B點下落至最低點C的過程中，速度先增大再減小，到達最低點時，速度減小為零．所以選項B是正確的. 同時，結合圖4也能充分說明，鐵球在經過重力與拉力相等的O點時，鐵球的速度達到最大值．這樣以圖像形式展示，避免了繁瑣的理論分析，更有利于學生直觀感受，突破在教學過程中的難點．

圖4 鐵球速度和高度隨時間變化圖像

對于蹦極過程中動能的變化情況，軟件中也有直接的分析選項．鐵球在下落過程中的動能變化情況如圖5所示．對于其他形式的能量，雖然Tracker軟件中沒有直接比較勢能和機械能的選項，但是在已經追蹤的數據中，已有動能的數據，代入式(1)中即可得到鐵球機械能大小．在追蹤點中選擇部分采樣點并代入公式計算結果如表1所示．

E機械能=mgh+Ek

(1)

圖5 鐵球動能隨時間變化圖像

表1 采樣點的動能、高度和機械能

觀察表1中的數據，比較鐵球在下落前后過程中的機械能，我們發現鐵球在下落前后機械能逐漸減小，鐵球的機械能是不守恒的．利用數據定量反映鐵球下落過程中機械能的變化，可以加深學生對過程中能量變化的理解．

3 總結

Tracker軟件的應用不僅可以很直觀地顯示運動中的一些物理量，同時也實現了物體運動規律的定量分析．相較于傳統的分析過程，可以提供更多的運動情況信息，為學生分析運動規律，建立模型，解決問題帶來極大的便利．利用 Tracker軟件進行運動分析，研究物體運動規律，可以大大鍛煉學生的觀察能力、分析數據能力和創新精神．