基于Tracker探究水火箭體積與發(fā)射高度的關(guān)系

吳禮晨

摘要：水火箭發(fā)射是常見的高中物理課外活動(dòng)。本文介紹水火箭的制作過程，利用Tracker視頻分析軟件探究水火箭體積與發(fā)射高度的關(guān)系。

關(guān)鍵詞：水火箭;發(fā)射高度;Tracker

1 引言

水火箭是利用廢棄塑料瓶為材料，基于物理學(xué)中反沖原理，利用質(zhì)量比和氣壓作用而設(shè)計(jì)的飛行器。是中學(xué)物理中重要的時(shí)間活動(dòng)案例之一[1]。水火箭的制作與發(fā)射具有寓教于樂的作用，深受廣大中學(xué)生的喜愛，通過活動(dòng)，學(xué)生可以了解基本的空氣動(dòng)力學(xué)知識(shí)，培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手能力，激發(fā)學(xué)生科學(xué)探索的熱情，樹立對(duì)航天科技的熱愛。傳統(tǒng)水火箭活動(dòng)側(cè)重于制作和發(fā)射。本次研究，主要探究水火箭體積與發(fā)射高度的關(guān)系。在探究中，感知科學(xué)研究過程，提高團(tuán)結(jié)協(xié)作的精神，培養(yǎng)樂于探究的能力。

2 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

2.1 組裝水火箭

水火箭活動(dòng)受到廣大學(xué)校的歡迎，實(shí)驗(yàn)器材在很多學(xué)校都已普及。本次研究過程利用學(xué)校科技文化藝術(shù)節(jié)水火箭發(fā)射后剩余材料，進(jìn)行組裝。

（1）噴水嘴安裝

（2）平衡翼安裝

（3）整流罩安裝

2.2 發(fā)射架改進(jìn)

成品化的發(fā)射架，發(fā)射方向可以調(diào)節(jié)，利用剎車把作為發(fā)射開關(guān)，但發(fā)射時(shí)水火箭不穩(wěn)定，發(fā)射時(shí)瓶?jī)?nèi)氣壓無法測(cè)量。為克服這一問題，在支架上打孔，安裝4根導(dǎo)軌，穩(wěn)定火箭發(fā)射。在氣管上安裝壓力表，便于測(cè)量發(fā)射時(shí)瓶?jī)?nèi)氣壓。

2.3 水火箭發(fā)射

（1）將組裝好的水火箭注入一定體積的水（滴入紅墨水，便于視頻處理時(shí)追蹤），確保噴嘴安裝正常，密封完好;

（2）把水火箭安裝到發(fā)射架上，鏈接打氣筒，向水火箭內(nèi)打氣;

（3）調(diào)整發(fā)射架發(fā)射角度，確保周圍無人群;

（4）待氣壓到一定值后，緊握剎車把，發(fā)射火箭。

3 高度測(cè)量

在水火箭的發(fā)射活動(dòng)中，我們發(fā)現(xiàn)了許多值得探究的問題，比如水火箭的高度問題。但是高度的測(cè)量，如果用肉眼觀察，測(cè)量的數(shù)據(jù)不精準(zhǔn)。為了解決這一問題，利用Tracker視頻分析軟件，測(cè)量高度。

Tracker軟件，可以根據(jù)錄制的運(yùn)動(dòng)視頻片段，跟蹤研究對(duì)象的運(yùn)動(dòng)軌跡，不僅能測(cè)量高度，還能通過數(shù)據(jù)分析研究對(duì)象的物理規(guī)律。該軟件在運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)的研究中具有廣泛的運(yùn)用。

3.1 視頻錄制

視頻錄制時(shí)需要注意：將錄像機(jī)固定在三腳架上，保持合適的距離，保證視頻畫面能完整記錄物體運(yùn)動(dòng)，盡量使錄像機(jī)鏡頭與拍攝畫面垂直。為了接下來的視頻處理，要設(shè)置一個(gè)長(zhǎng)度標(biāo)尺，保證背景與拍攝物有較大背景色差，記錄前，應(yīng)打板本次測(cè)量信息。

3.2 視頻導(dǎo)入

啟動(dòng)軟件，將視頻拖入或點(diǎn)擊“視頻→導(dǎo)入”加載視頻，視頻格式可以是mov、avi、mp4、flv、wmv或者是動(dòng)畫式的gif以及一系列的jpg、png。

3.3 建立坐標(biāo)

點(diǎn)擊菜單“軌跡”“軸”“顯示”可以顯示參考系。鼠標(biāo)左鍵按住坐標(biāo)原點(diǎn)不放可以移動(dòng)坐標(biāo)原點(diǎn)到指定位置，可以左鍵點(diǎn)擊坐標(biāo)軸上任一點(diǎn)旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)軸，建立好坐標(biāo)系之后，右鍵點(diǎn)擊中心方框，勾選“鎖定”選項(xiàng)，可以防止誤操作一定坐標(biāo)系。下一步，選擇標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度，點(diǎn)擊下拉箭頭，新建定標(biāo)桿，會(huì)出現(xiàn)，將定標(biāo)桿兩端用鼠標(biāo)拉到視頻中某一標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度的中間，如圖中窗子的寬度或長(zhǎng)度已知，可以點(diǎn)擊定標(biāo)桿上的數(shù)字進(jìn)行改動(dòng)。同樣，定標(biāo)桿也可以鎖定。點(diǎn)擊下方視頻播放按鈕，可以開始播放影片，在影片合適位置，右鍵點(diǎn)擊進(jìn)度條可以選擇需要處理視頻的起始位置和結(jié)束位置，也可以右鍵選擇“視頻剪輯設(shè)定”在彈出的對(duì)話框中直接輸入設(shè)定值，比如：起始幀，結(jié)束幀等，此時(shí)可以在播放進(jìn)度條上看到兩個(gè)上三角形，分別表示起始時(shí)間與終止時(shí)間。

3.4追蹤對(duì)象

選擇菜單“軌跡”“新建”“質(zhì)點(diǎn)”，會(huì)出現(xiàn)質(zhì)點(diǎn)控制選項(xiàng)、運(yùn)動(dòng)圖和數(shù)據(jù)表，點(diǎn)擊質(zhì)量A，自動(dòng)追蹤，鼠標(biāo)變成圈圈，可以用來圈選被追蹤的物體，可以利用圓圈右下方的正方形調(diào)整形狀與大小，使其包含物體的邊緣，要具有較高的對(duì)比和確切的形狀。

鼠標(biāo)變成紅色十字，移動(dòng)紅色十字到物體的中心，設(shè)定好按下一個(gè)，可以調(diào)節(jié)對(duì)話框中的數(shù)字改變識(shí)別程度，一般使用預(yù)設(shè)值即可。

自動(dòng)識(shí)別有問題的話，可以用鼠標(biāo)移動(dòng)點(diǎn)上的十字到正確位置。數(shù)值與圓點(diǎn)會(huì)自動(dòng)跟著變動(dòng)，確定所有的點(diǎn)無誤的話就可以點(diǎn)結(jié)束。

3.5測(cè)量高度

數(shù)據(jù)的處理可以用自帶的分析工具，也可以將數(shù)據(jù)導(dǎo)出使用其他的軟件處理。

4 科學(xué)探究

4.1 實(shí)驗(yàn)步驟

①選擇3個(gè)體積不同，形狀相同的水火箭，

②分別在3個(gè)水火箭注入250ml的水，保持發(fā)射架垂直，氣壓都設(shè)定為2.5MPa，分別進(jìn)行發(fā)射，

③錄制發(fā)射視頻

④用Tracker軟件分析

4.2數(shù)據(jù)整理及分析

由表1可知，在保證發(fā)射角度、箭體內(nèi)水量和發(fā)射氣壓相同的情況下，箭體體積越小，水火箭發(fā)射的高度越大。水火箭體積較小，質(zhì)量也較小，小，獲得的最大發(fā)射速度大。實(shí)驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)，大水火箭運(yùn)行時(shí)不穩(wěn)定，原因是箭體內(nèi)水導(dǎo)致重心更偏下。

5 結(jié)束語

影響水火箭發(fā)射高度的因素還有發(fā)射角度、箭體內(nèi)水量和發(fā)射氣壓等。實(shí)驗(yàn)中還發(fā)現(xiàn)，水火箭重心、外型對(duì)發(fā)射高度也有影響。因?yàn)槠鞑挠邢蓿瑢?duì)以上因素未能深入研究是文的不足之一;再有不足是實(shí)驗(yàn)時(shí)，周圍環(huán)境對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果存在影響，本次探究活動(dòng)中未能采用多次測(cè)量求取平均值來減小影響。

核心素養(yǎng)的培養(yǎng)不僅是知識(shí)的習(xí)得與記憶，還有在物理知識(shí)的學(xué)習(xí)中，掌握運(yùn)用知識(shí)處理問題的本領(lǐng)。課外實(shí)驗(yàn)是對(duì)課堂實(shí)驗(yàn)的補(bǔ)充和延伸，也是運(yùn)用物理知識(shí)解決實(shí)際問題的有效途徑。課外實(shí)驗(yàn)以其貼近生活實(shí)際，形式豐富多彩，趣味十足，深受學(xué)生的喜愛[2]。結(jié)合信息技術(shù)手段，開展課外實(shí)驗(yàn)有助于學(xué)生開拓視野，培養(yǎng)科學(xué)思維，對(duì)提高學(xué)生探究能力、動(dòng)手能力、分析解決問題能力有重要作用。

參考文獻(xiàn)：

[1]方紅霞.關(guān)于水火箭水平射程的實(shí)驗(yàn)探究[J].物理實(shí)驗(yàn)，2011，31（12）：17-19.

[2]梁上燕. 開放式實(shí)驗(yàn)教學(xué)類型新探[J]. 蘭州交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2007（05）：127-129

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