基于Tracker探究水火箭體積與發射高度的關系

吳禮晨

摘要：水火箭發射是常見的高中物理課外活動。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射高度的關系。

關鍵詞：水火箭;發射高度;Tracker

1 引言

水火箭是利用廢棄塑料瓶為材料，基于物理學中反沖原理，利用質量比和氣壓作用而設計的飛行器。是中學物理中重要的時間活動案例之一[1]。水火箭的制作與發射具有寓教于樂的作用，深受廣大中學生的喜愛，通過活動，學生可以了解基本的空氣動力學知識，培養學生動手能力，激發學生科學探索的熱情，樹立對航天科技的熱愛。傳統水火箭活動側重于制作和發射。本次研究，主要探究水火箭體積與發射高度的關系。在探究中，感知科學研究過程，提高團結協作的精神，培養樂于探究的能力。

2 實驗準備

2.1 組裝水火箭

水火箭活動受到廣大學校的歡迎，實驗器材在很多學校都已普及。本次研究過程利用學校科技文化藝術節水火箭發射后剩余材料，進行組裝。

（1）噴水嘴安裝

（2）平衡翼安裝

（3）整流罩安裝

2.2 發射架改進

成品化的發射架，發射方向可以調節，利用剎車把作為發射開關，但發射時水火箭不穩定，發射時瓶內氣壓無法測量。為克服這一問題，在支架上打孔，安裝4根導軌，穩定火箭發射。在氣管上安裝壓力表，便于測量發射時瓶內氣壓。

2.3 水火箭發射

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

（2）把水火箭安裝到發射架上，鏈接打氣筒，向水火箭內打氣;

（3）調整發射架發射角度，確保周圍無人群;

（4）待氣壓到一定值后，緊握剎車把，發射火箭。

3 高度測量

在水火箭的發射活動中，我們發現了許多值得探究的問題，比如水火箭的高度問題。但是高度的測量，如果用肉眼觀察，測量的數據不精準。為了解決這一問題，利用Tracker視頻分析軟件，測量高度。

Tracker軟件，可以根據錄制的運動視頻片段，跟蹤研究對象的運動軌跡，不僅能測量高度，還能通過數據分析研究對象的物理規律。該軟件在運動學、動力學的研究中具有廣泛的運用。

3.1 視頻錄制

視頻錄制時需要注意：將錄像機固定在三腳架上，保持合適的距離，保證視頻畫面能完整記錄物體運動，盡量使錄像機鏡頭與拍攝畫面垂直。為了接下來的視頻處理，要設置一個長度標尺，保證背景與拍攝物有較大背景色差，記錄前，應打板本次測量信息。

3.2 視頻導入

啟動軟件，將視頻拖入或點擊“視頻→導入”加載視頻，視頻格式可以是mov、avi、mp4、flv、wmv或者是動畫式的gif以及一系列的jpg、png。

3.3 建立坐標

點擊菜單“軌跡”“軸”“顯示”可以顯示參考系。鼠標左鍵按住坐標原點不放可以移動坐標原點到指定位置，可以左鍵點擊坐標軸上任一點旋轉坐標軸，建立好坐標系之后，右鍵點擊中心方框，勾選“鎖定”選項，可以防止誤操作一定坐標系。下一步，選擇標準長度，點擊下拉箭頭，新建定標桿，會出現，將定標桿兩端用鼠標拉到視頻中某一標準長度的中間，如圖中窗子的寬度或長度已知，可以點擊定標桿上的數字進行改動。同樣，定標桿也可以鎖定。點擊下方視頻播放按鈕，可以開始播放影片，在影片合適位置，右鍵點擊進度條可以選擇需要處理視頻的起始位置和結束位置，也可以右鍵選擇“視頻剪輯設定”在彈出的對話框中直接輸入設定值，比如：起始幀，結束幀等，此時可以在播放進度條上看到兩個上三角形，分別表示起始時間與終止時間。

3.4追蹤對象

選擇菜單“軌跡”“新建”“質點”，會出現質點控制選項、運動圖和數據表，點擊質量A，自動追蹤，鼠標變成圈圈，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整形狀與大小，使其包含物體的邊緣，要具有較高的對比和確切的形狀。

鼠標變成紅色十字，移動紅色十字到物體的中心，設定好按下一個，可以調節對話框中的數字改變識別程度，一般使用預設值即可。

自動識別有問題的話，可以用鼠標移動點上的十字到正確位置。數值與圓點會自動跟著變動，確定所有的點無誤的話就可以點結束。

3.5測量高度

數據的處理可以用自帶的分析工具，也可以將數據導出使用其他的軟件處理。

4 科學探究

4.1 實驗步驟

①選擇3個體積不同，形狀相同的水火箭，

②分別在3個水火箭注入250ml的水，保持發射架垂直，氣壓都設定為2.5MPa，分別進行發射，

③錄制發射視頻

④用Tracker軟件分析

4.2數據整理及分析

由表1可知，在保證發射角度、箭體內水量和發射氣壓相同的情況下，箭體體積越小，水火箭發射的高度越大。水火箭體積較小，質量也較小，小，獲得的最大發射速度大。實驗還發現，大水火箭運行時不穩定，原因是箭體內水導致重心更偏下。

5 結束語

影響水火箭發射高度的因素還有發射角度、箭體內水量和發射氣壓等。實驗中還發現，水火箭重心、外型對發射高度也有影響。因為器材有限，對以上因素未能深入研究是文的不足之一;再有不足是實驗時，周圍環境對實驗結果存在影響，本次探究活動中未能采用多次測量求取平均值來減小影響。

核心素養的培養不僅是知識的習得與記憶，還有在物理知識的學習中，掌握運用知識處理問題的本領。課外實驗是對課堂實驗的補充和延伸，也是運用物理知識解決實際問題的有效途徑。課外實驗以其貼近生活實際，形式豐富多彩，趣味十足，深受學生的喜愛[2]。結合信息技術手段，開展課外實驗有助于學生開拓視野，培養科學思維，對提高學生探究能力、動手能力、分析解決問題能力有重要作用。

參考文獻：

[1]方紅霞.關于水火箭水平射程的實驗探究[J].物理實驗，2011，31（12）：17-19.

[2]梁上燕. 開放式實驗教學類型新探[J]. 蘭州交通大學學報，2007（05）：127-129

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