基于 Vernier Video Physics 軟件的物理實(shí)驗(yàn)探究

肖炳茹　馮潔　李紅梅

［摘 要］智能手機(jī)的飛速發(fā)展和智能手機(jī)APP的不斷更新對(duì)當(dāng)今社會(huì)的各個(gè)方面都產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。與此同時(shí)，智能手機(jī)APP也逐漸被引入課堂教學(xué)中，為學(xué)生提供了自主學(xué)習(xí)的機(jī)會(huì)，也使物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式發(fā)生了巨大的改變，成了廣大教育者關(guān)注的熱點(diǎn)。利用Vernier Video Physics軟件和Vernier Graphical Analysis軟件，再結(jié)合平拋運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)儀，對(duì)小鋼球的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行逐幀追蹤定位，得到小鋼球做平拋運(yùn)動(dòng)的[y-x]圖像、[x-t]圖像、[y-t]圖像和[vy-t]圖像，再對(duì)圖像進(jìn)行相應(yīng)函數(shù)擬合，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)分析，得到小鋼球做平拋運(yùn)動(dòng)在水平方向和豎直方向的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)。利用智能手機(jī)APP輔助高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，幫助學(xué)生理解物理概念和規(guī)律，使學(xué)生積極主動(dòng)地參與到實(shí)驗(yàn)中來(lái)，培養(yǎng)他們的動(dòng)手能力，提升他們的實(shí)驗(yàn)素養(yǎng)。

［關(guān)鍵詞］Vernier Video Physics軟件；Vernier Graphical Analysis軟件；平拋運(yùn)動(dòng)；視頻分析；智能手機(jī)

［中圖分類號(hào)］? ? G633.7? ? ? ? ［文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼］? ? A? ? ? ? ［文章編號(hào)］? ? 1674-6058（2023）23-0050-05

《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》中強(qiáng)調(diào)：現(xiàn)代信息技術(shù)在獲取證據(jù)、描述和解釋實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的含義方面發(fā)揮著重要作用，應(yīng)該把信息素養(yǎng)的提升作為科學(xué)探究能力培養(yǎng)的重要內(nèi)容，鼓勵(lì)學(xué)生利用手機(jī)等信息技術(shù)工具的便捷性去解決某些物理學(xué)習(xí)問(wèn)題或解決用常規(guī)方法難以實(shí)現(xiàn)的疑難實(shí)驗(yàn)問(wèn)題［1］。

平拋運(yùn)動(dòng)是曲線運(yùn)動(dòng)中比較典型的一種運(yùn)動(dòng)，在高中物理運(yùn)動(dòng)學(xué)中占據(jù)著非常重要的地位，也是學(xué)生難以理解的一種運(yùn)動(dòng)模型。在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，探究平拋運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)共有四種方法。（1）平拋豎落儀法，此法操作簡(jiǎn)便，可實(shí)現(xiàn)平拋運(yùn)動(dòng)的小球和自由落體運(yùn)動(dòng)的小球同時(shí)釋放，但由于運(yùn)動(dòng)時(shí)間短，因此兩球落地的先后順序較難觀察。（2）細(xì)水柱法，此法能保證初速度水平、水柱細(xì)，這樣軌跡就易確定，但受空氣阻力等的影響，水柱軌跡容易變形，長(zhǎng)度有限，處理不方便。（3）平拋運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)儀法，此法簡(jiǎn)單、方便，但利用復(fù)寫(xiě)紙確定物體運(yùn)動(dòng)的軌跡點(diǎn)，誤差較大。（4）頻閃照相法，在保證初速度水平的前提下，用數(shù)碼照相機(jī)連續(xù)拍照，效果較為理想，圖像準(zhǔn)確，但將不同圖片合一需要較復(fù)雜的計(jì)算機(jī)技術(shù)支持。

合理的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)應(yīng)兼顧安全、成功率高、儀器簡(jiǎn)單易操作、誤差小、效率高、可重復(fù)性強(qiáng)等。通過(guò)分析不同的方案并結(jié)合學(xué)生的特點(diǎn)，本實(shí)驗(yàn)決定利用智能手機(jī)中的視頻分析軟件Vernier Video Physics和數(shù)據(jù)分析軟件Vernier Graphical Analysis，再結(jié)合平拋運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)儀進(jìn)行探究。針對(duì)傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)案例，采用新的實(shí)驗(yàn)方法，不僅能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)，還能提高教學(xué)效率。

一、軟件介紹和軟件操作步驟

（一）軟件介紹

Vernier Video Physics和Vernier Graphical Analysis兩款智能手機(jī)軟件都是由Vernier Software& Technology公司開(kāi)發(fā)的。其中Vernier Video Physics是一款具有視頻分析功能的軟件［2］。運(yùn)用智能手機(jī)錄制一段物體運(yùn)動(dòng)的視頻，將錄制好的視頻導(dǎo)入Vernier Video Physics軟件中，對(duì)需要研究的物體進(jìn)行自動(dòng)或手動(dòng)的追蹤定位，通過(guò)軟件就能把物體的運(yùn)動(dòng)軌跡清晰地呈現(xiàn)出來(lái)［3］。Vernier Graphical Analysis是一款具有數(shù)據(jù)分析功能的軟件。將在Vernier Video Physics軟件中得到的物體運(yùn)動(dòng)軌跡的圖像導(dǎo)入Vernier Graphical Analysis軟件中，就可以得到物體運(yùn)動(dòng)的[x-t]圖像和[v-t]圖像，還可以根據(jù)實(shí)際情況在軟件中對(duì)圖像進(jìn)行函數(shù)擬合，方便分析和研究；點(diǎn)擊功能按鈕就可以得到物體運(yùn)動(dòng)的數(shù)據(jù)表，可以從中提取需要的數(shù)據(jù)進(jìn)行研究。這款軟件對(duì)Vernier Video Physics軟件具有輔助作用，能進(jìn)一步分析出物體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。

總之，運(yùn)用智能手機(jī)中的視頻分析軟件和數(shù)據(jù)分析軟件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)探究，不僅能讓學(xué)生直觀地看到物體運(yùn)動(dòng)的軌跡，體會(huì)對(duì)物理現(xiàn)象進(jìn)行真實(shí)探究的樂(lè)趣，還能完成傳感器無(wú)法進(jìn)行的探究實(shí)驗(yàn)，比如投籃運(yùn)動(dòng)等。除此之外，學(xué)生還可以隨時(shí)隨地對(duì)物體運(yùn)動(dòng)的視頻進(jìn)行分析，從圖像中就可以直觀地看出物體運(yùn)動(dòng)的規(guī)律。

（二）軟件操作步驟

1.把需要分析的視頻導(dǎo)入手機(jī)軟件中

首先，利用智能手機(jī)把物體的運(yùn)動(dòng)過(guò)程錄制下來(lái)，然后打開(kāi) Vernier Video Physics軟件，點(diǎn)擊“Choose Existing”功能按鈕，再將錄制好的需要分析的物體運(yùn)動(dòng)視頻導(dǎo)入Vernier Video Physics軟件中。此次實(shí)驗(yàn)以導(dǎo)入小鋼球做平拋運(yùn)動(dòng)的視頻（如圖1）為例。

2.對(duì)物體運(yùn)動(dòng)的畫(huà)面定標(biāo)和創(chuàng)建坐標(biāo)軸

首先，在視頻分析軟件中對(duì)運(yùn)動(dòng)對(duì)象進(jìn)行定標(biāo)和創(chuàng)建坐標(biāo)軸，通過(guò)逐幀追蹤后得到物體的運(yùn)動(dòng)軌跡圖，再將物體的運(yùn)動(dòng)軌跡圖以文件的形式導(dǎo)入Vernier Graphical Analysis軟件中就可以得到物體速度和位移隨時(shí)間變化的圖像。本實(shí)驗(yàn)以直徑為2 cm的小鋼球?yàn)閷?duì)象進(jìn)行定標(biāo)，點(diǎn)擊“Origin& Scale”按鈕，拖動(dòng)兩個(gè)比例尺定位圓，使之定位在小鋼球直徑的兩端，再輸入小鋼球的實(shí)際尺寸（0.02 m），并將小鋼球的拋出點(diǎn)設(shè)置為坐標(biāo)原點(diǎn)，向右為正方向（如圖2）。除此之外，還可以根據(jù)物體運(yùn)動(dòng)的實(shí)際情況旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的方位。

坐標(biāo)系建好后，可單擊縮放按鈕將縮放圓的十字中心手動(dòng)拖動(dòng)到對(duì)象的中心，然后單擊對(duì)象中心以標(biāo)記對(duì)象當(dāng)時(shí)的位置，再移動(dòng)定位對(duì)象的比例圓，并跟蹤對(duì)象的移動(dòng)，以便準(zhǔn)確追蹤物體的運(yùn)動(dòng)軌跡。最后單擊“軌跡”按鈕，對(duì)小鋼球的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行逐幀追蹤（如圖3）。

3.圖像分析及擬合

實(shí)驗(yàn)中，可使用Vernier Video Physics軟件收集物體運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在手機(jī)文件中［6］。打開(kāi)軟件，單擊右上角的圖像按鈕，可以獲得對(duì)象移動(dòng)的[y-x]圖像、[x-t]圖像、[y-t]圖像和[vy-t]圖像，就能從中分析物體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。以直徑為2 cm的小鋼球做平拋運(yùn)動(dòng)為例，小鋼球運(yùn)動(dòng)的[y-x]圖像如圖4所示，[x-t]圖像、[y-t]圖像和[vy-t]圖像如圖5所示。

打開(kāi)Vernier Graphical Analysis軟件，點(diǎn)擊“選擇文件”按鈕，將之前保存在手機(jī)文件中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)導(dǎo)入其中，就可以得到物體在水平方向和豎直方向的[x-t]圖像和[v-t]圖像［6］；點(diǎn)擊右上角的功能按鈕，就會(huì)顯示數(shù)據(jù)表，能直接從數(shù)據(jù)表中獲取必要的數(shù)據(jù)，既方便又快捷。除此之外，軟件還能根據(jù)實(shí)際情況，擬合需要分析的圖像對(duì)應(yīng)的函數(shù)。

二、探究平拋運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)的特點(diǎn)

（一）實(shí)驗(yàn)器材和裝置

安裝有Vernier Video Physics軟件和Vernier Graphical Analysis軟件的智能手機(jī)、直徑為2 cm的小鋼球、手機(jī)支架、平拋運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)儀。

（二）進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和記錄數(shù)據(jù)

1.探究平拋運(yùn)動(dòng)在豎直方向上的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)

首先，把平拋運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)儀上的水準(zhǔn)泡調(diào)整至水平儀的中間，使整個(gè)實(shí)驗(yàn)儀器與桌面保持水平；其次，將平拋運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)儀接通電源，打開(kāi)開(kāi)關(guān)，把小鋼球吸在上軌道的電磁鐵處，讓小鋼球處于靜止?fàn)顟B(tài)；最后，關(guān)閉電磁鐵的控制開(kāi)關(guān)，讓小鋼球脫離軌道做平拋運(yùn)動(dòng)，對(duì)小鋼球的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行分析。這個(gè)過(guò)程可進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)并記錄函數(shù)表達(dá)式，函數(shù)表達(dá)式如表1所示。

以直徑為2 cm的小鋼球第一次做平拋運(yùn)動(dòng)的[y-x]圖像、[y-t]圖像、[vy-t]圖像擬合為例，擬合結(jié)果如圖6、圖7、圖8所示。

由圖6經(jīng)過(guò)二次函數(shù)擬合后的[y-x]圖像可以看出小鋼球的運(yùn)動(dòng)軌跡是一條拋物線，其拋物線函數(shù)為[y=-92.8x2+0.0796x-0.0001466]，可以從中直觀地看出平拋運(yùn)動(dòng)的軌跡。

由圖7經(jīng)過(guò)二次函數(shù)擬合后的[y-t]圖像可以看出小鋼球在豎直方向上的[y-t]圖像是一條拋物線，擬合后的拋物線函數(shù)為[y=-4.992t2-0.4882t+0.06939]，其中，一次項(xiàng)系數(shù)[b]與常數(shù)項(xiàng)[c]不為零的原因是坐標(biāo)原點(diǎn)沒(méi)有嚴(yán)格地選取為小鋼球平拋運(yùn)動(dòng)的拋出點(diǎn)。根據(jù)自由落體運(yùn)動(dòng)規(guī)律h=?gt2，可知小鋼球在豎直方向[g=4.992×2 m/s2=9.984 m/s2]，得到小鋼球在豎直方向上做自由落體運(yùn)動(dòng)。

由圖8經(jīng)過(guò)一次函數(shù)擬合后的[vy-t]圖像可以看出小鋼球在豎直方向上的[vy-t]圖像是一條傾斜的直線，擬合后的一次函數(shù)為[vy=-9.899t-0.4135]，常數(shù)項(xiàng) [b]不為零的原因是坐標(biāo)原點(diǎn)沒(méi)有嚴(yán)格地選取為小鋼球平拋運(yùn)動(dòng)的拋出點(diǎn)。同理，根據(jù)自由落體運(yùn)動(dòng)規(guī)律[vy=gt]，可知小鋼球在豎直方向[g=9.899 m/s2]，這與圖7小鋼球做平拋運(yùn)動(dòng)的[y-t]圖像分析結(jié)果相符，得到小鋼球在豎直方向上做自由落體運(yùn)動(dòng)。

以當(dāng)?shù)刂亓铀俣鹊睦碚撝禐閇9.8 m/s2]為例，由自由落體運(yùn)動(dòng)規(guī)律得出表1中[y-t]函數(shù)的[g]值的相對(duì)誤差為1.88%～3.51%，[vy-t]函數(shù)的[g]值的相對(duì)誤差為1.01%～2.65%。因此由表1數(shù)據(jù)可以得出結(jié)論：做平拋運(yùn)動(dòng)的小鋼球在豎直方向的分運(yùn)動(dòng)為自由落體運(yùn)動(dòng)［5］。

2.探究平拋運(yùn)動(dòng)在水平方向上的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)

首先，把平拋運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)儀上的水準(zhǔn)泡調(diào)整至水平儀的中間，使整個(gè)實(shí)驗(yàn)儀器與桌面保持水平；其次，使小鋼球下落高度、初始位置相同，讓小鋼球從同一位置、同一高度脫離軌道做平拋運(yùn)動(dòng)，對(duì)小鋼球的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行分析，在表格中記錄下一次函數(shù)擬合后的[x-t]函數(shù)表達(dá)式；再次，保持初始位置相同，多次改變小鋼球下落的高度，讓小鋼球從同一位置、不同高度做平拋運(yùn)動(dòng)，對(duì)小鋼球的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行分析，在表格中記錄下一次函數(shù)擬合后的[x-t]函數(shù)表達(dá)式；最后，保持下落高度相同，多次改變小鋼球下落的初始位置，讓小鋼球從不同位置、同一高度做平拋運(yùn)動(dòng)，對(duì)小鋼球的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行分析，在表格中記錄下一次函數(shù)擬合后的[x-t]函數(shù)表達(dá)式。重復(fù)上述步驟，進(jìn)行多次實(shí)驗(yàn)，記錄的函數(shù)表達(dá)式如表2所示。

以直徑為2 cm的小鋼球從同一位置、同一高度脫離軌道第一次做平拋運(yùn)動(dòng)的[x-t]圖像的擬合為例，擬合結(jié)果如圖9所示。

由圖9經(jīng)過(guò)一次函數(shù)擬合后的[x-t]圖像可以看出小鋼球在水平方向上的[x-t]圖像是一條傾斜的直線，擬合后的一次函數(shù)為[x=2.597t-0.03741]，常數(shù)項(xiàng)[b]不為零的原因是坐標(biāo)原點(diǎn)沒(méi)有嚴(yán)格地選取為小鋼球平拋運(yùn)動(dòng)的拋出點(diǎn)，根據(jù)勻速直線運(yùn)動(dòng)規(guī)律[s=vt]，可知小鋼球在沿[x]軸方向即水平方向上做速度為[2.597 m/s]的勻速直線運(yùn)動(dòng)［4］。

進(jìn)行了多次實(shí)驗(yàn)后對(duì)[x-t]圖像進(jìn)行一次函數(shù)擬合，得到了如表2所示的[x-t]函數(shù)表達(dá)式。從表2中可以直觀地看出，在小鋼球做平拋運(yùn)動(dòng)時(shí)，無(wú)論是“使小鋼球下落高度和初始位置相同”“初始位置相同，多次改變小鋼球下落高度”，還是“下落高度相同，多次改變小鋼球下落的初始位置”，其在水平方向上運(yùn)動(dòng)的[x-t]圖像都滿足勻速直線運(yùn)動(dòng)的規(guī)律。因此根據(jù)勻速直線運(yùn)動(dòng)的規(guī)律可以得出結(jié)論：做平拋運(yùn)動(dòng)的小鋼球在水平方向的分運(yùn)動(dòng)為勻速直線運(yùn)動(dòng)。

（三）實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)

在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中應(yīng)該注意以下幾點(diǎn)：

（1）實(shí)驗(yàn)前應(yīng)先把平拋運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)儀上的水準(zhǔn)泡調(diào)整至水平儀的中間，使整個(gè)實(shí)驗(yàn)儀器與桌面保持水平。

（2）實(shí)驗(yàn)中必須調(diào)整斜槽末端的切線水平，調(diào)整方法是將小球放在斜槽末端水平部分，若小球靜止，則斜槽末端水平。

（3）小鋼球每次必須從斜槽上同一位置滾下。

（4）先用手機(jī)支架固定好手機(jī)，再進(jìn)行錄像，以保證視頻畫(huà)面的穩(wěn)定性。

（5）在錄制視頻的過(guò)程中可以選擇慢動(dòng)作錄制，避免小球在視頻中形成重影，影響標(biāo)記。

（6）在錄制視頻時(shí)應(yīng)先點(diǎn)擊“開(kāi)始錄制”按鈕，再斷開(kāi)電磁鐵的控制開(kāi)關(guān)。

（7）應(yīng)進(jìn)行多次重復(fù)實(shí)驗(yàn)，以減小實(shí)驗(yàn)誤差。

（四）分析總結(jié)

由以上兩個(gè)探究實(shí)驗(yàn)可以得出結(jié)論：平拋運(yùn)動(dòng)在豎直方向的分運(yùn)動(dòng)為自由落體運(yùn)動(dòng)，在水平方向的分運(yùn)動(dòng)為勻速直線運(yùn)動(dòng)。利用智能手機(jī)中的軟件Vernier Video Physics和Vernier Graphical Analysis來(lái)探究平拋運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)，不僅可以加深學(xué)生對(duì)平拋運(yùn)動(dòng)規(guī)律的理解，強(qiáng)化學(xué)生對(duì)函數(shù)圖像知識(shí)的運(yùn)用，還能讓學(xué)生體會(huì)到運(yùn)用數(shù)學(xué)知識(shí)解釋物理現(xiàn)象的樂(lè)趣。在傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中采用新的實(shí)驗(yàn)方法，能夠改變學(xué)生“做實(shí)驗(yàn)不如講實(shí)驗(yàn)，講實(shí)驗(yàn)不如背實(shí)驗(yàn)”的荒謬想法。

總之，智能手機(jī)具有一定的開(kāi)放性和實(shí)用性，不僅能夠用來(lái)獲取信息咨訊，而且可以進(jìn)行物理實(shí)驗(yàn)、記錄數(shù)據(jù)，對(duì)物體的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行分析。而且智能手機(jī)有很強(qiáng)的便攜性，不僅能隨身攜帶，而且不受時(shí)間和空間的限制，能很好地滿足學(xué)生學(xué)習(xí)物理知識(shí)和獲取信息的需要。把智能手機(jī)中的視頻分析軟件Vernier Video Physics和數(shù)據(jù)分析軟件Vernier Graphical Analysis相結(jié)合進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，能夠完成一些傳感器無(wú)法完成的實(shí)驗(yàn)，例如跟蹤飛行中的籃球和投擲出去的鉛球等。這些軟件還具有分析快速且易于重復(fù)觀察的特點(diǎn)，因此學(xué)生能夠立即對(duì)所收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，從而進(jìn)行批判性思考。

總之，以智能手機(jī)APP輔助高中物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)是數(shù)字化教育發(fā)展的必然要求。物理實(shí)驗(yàn)在高中階段具有較強(qiáng)的實(shí)踐性和應(yīng)用性，同時(shí)也是高考考查的重要內(nèi)容。將智能手機(jī)APP融入物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，能夠改變傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)現(xiàn)狀，能夠活躍教師和學(xué)生設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案的思路，能夠提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作能力。同時(shí)，智能手機(jī)APP在物理實(shí)驗(yàn)中的使用，不僅能夠讓實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象可視化，而且還能為學(xué)生在課后開(kāi)展自主探究實(shí)驗(yàn)提供平臺(tái)。

［? ?參? ?考? ?文? ?獻(xiàn)? ?］

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［3］? 唐佳鈺，鄭淵方，張德培.手機(jī)Vernier Video Physics App在物理實(shí)驗(yàn)探究中的應(yīng)用［J］.中學(xué)理科園地，2021（6）：75-77.

［4］? 李基正，謝曾珍，葉澤波，等.基于Vernier Video Physics軟件研究拋體運(yùn)動(dòng)［J］.實(shí)驗(yàn)教學(xué)與儀器，2022（4）：48-50.

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［6］? 肖炳茹，肖朝暉，李紅梅.基于Vernier Video Physics軟件的物理實(shí)驗(yàn)探究：以“探究影響單擺周期的因素”為例［J］.中學(xué)物理，2022（17）：46-49.

（責(zé)任編輯 易志毅）