基于Tracker軟件驗證機械能守恒定律實驗創新設計

摘" 要" 利用Tracker軟件代替打點計時器驗證機械能守恒定律，通過Tracker軟件追蹤物體運動軌跡，并且處理分析錄制視頻，克服實驗數據處理煩瑣的弊端。機械能守恒定律改進實驗能夠有效減小誤差，使數據處理更快捷、直觀，縮短處理數據時間，實驗操作時間和空間更靈活。Tracker軟件技術與物理實驗教學融合是教育改革的一種趨勢，開創了全新的實驗教學模式，提供了學生體驗優化的實驗方案，增強了課堂教學的滲透力，能有效提高學生的綜合能力與核心素養。

關鍵詞" 高中物理；機械能守恒定律；Tracker軟件；打點計時器

中圖分類號：G633.7" "文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2024）23-0-04

0" 引言

《教育部關于加強和改進中小學實驗教學的意見》（教基〔2019〕16號）、《普通高中物理課程標準（2017年版2020年修訂）》等明確要求，要積極探索信息技術與物理教學的深度融合，要重視數字實驗，創新實驗方式[1]。黨的二十大報告提出推進教育數字化。智能化環境為教育創新提供了充分的條件，信息技術與物理實驗教學融合是教育改革的一種趨勢。提倡教育數字化、信息化，可以把信息技術與實驗教學的難點相結合，利用計算機軟件融合物理實驗，使實驗數據處理更精準、更高效，實驗結果更直觀，實驗操作更簡化[2]。

人教版普通高中物理教材中的“驗證機械能守恒定律”是學生分組實驗課，要求學生獨立做實驗，驗證機械能守恒定律。本文利用Tracker軟件代替打點計時器驗證機械能守恒定律，既可以讓學生樂于參與實驗，對實驗過程保持濃厚興趣，提高其學習的主動性，又能夠提高學生的科學思維能力。Tracker軟件是一款影像追蹤分析物理軟件，可以追蹤運動的物體，獲取研究物體的運動軌跡數據，快捷、高效地分析數據，因此成為一款新穎的物理教學工具[3]。

1" 教材中對機械能守恒定律驗證存在的不足

物體做自由落體運動實驗中，利用計時儀器打點計時器記錄物體運動的時間，打在紙帶上的點對應記錄運動物體的位置，從而分析物體運動情況，分析紙帶進行數據處理。筆者結合做此實驗的經驗，發現此實驗存在以下不足。

1.1" 系統誤差無可避免

重錘下落過程中，紙帶與打點計時器間摩擦產生阻力；下落過程受空氣阻力影響，需要克服阻力做功，導致實驗出現誤差。

1.2" 偶然誤差不好控制

一是釋放紙帶做實驗時，常常因為人為因素而較難控制重錘自由下落的要求；

二是安裝固定打點計時器，實驗者較難控制兩個限位孔在同一豎直面，也會增大摩擦力；

三是在處理紙帶測量距離過程中也會出現讀數誤差。

1.3" 完成實驗較煩瑣

需要多次重復做實驗，為了符合實驗條件要求，選擇最初兩點間的距離接近2 mm的最好的紙帶，還要選取點跡最清晰的紙帶。

1.4" 數據處理受限制

在實驗數據處理過程中需要選擇計數點，傳統實驗一般要求每隔四個點取一個計數點，時間間隔恰好為0.1 s。數據處理環節就是為了計算的方便，在數據處理過程中選擇打點計時器打出來的點受到限制，不能任意選取某一點。

2" 實驗改進方案

為了避免利用打點計時器等儀器完成驗證機械能守恒定律實驗，數據處理較煩瑣、實驗誤差較大的弊端，本文利用Tracker軟件替代打點計時器驗證機械能守恒定律，可以有效減少實驗誤差，簡化實驗方案。

1）為了保證重錘下落初速度穩定為零，滿足自由下落的要求，將重錘用細線固定在上端，實驗時用火燒斷線，重錘可以達到自由釋放，保證初速度為零，讓其做自由落體運動。

2）利用Tracker軟件代替打點計時器驗證機械能守恒定律，Tracker軟件能夠自動追蹤研究物體的運動過程，采集研究物體的運動數據，自動高效地分析數據。

本文將Tracker軟件運用于機械能守恒實驗，驗證在只有重力做功的條件下物體機械能守恒。

3" 實驗過程

3.1" 實驗原理

首先通過拍攝重錘自由落體運動的視頻，導入計算機Tracker軟件，利用Tracker追蹤物體運動軌跡、分析數據，根據所要數據處理動能和重力勢能。由于Tracker軟件的數據處理能自動計算動能和重力勢能，因此，只需要提取所需要的物理量y、Ep、K與t的數據，將系統處理的數據復制到Excel表中，通過Excel的求和公式計算各時刻動能與重力勢能之和，即機械能的大小，從而驗證機械能守恒定律。

3.2" 實驗操作

3.2.1" 實驗器材

固定裝置、重錘、輕繩、火源、刻度尺、智能手機、電腦等。

3.2.2" 實驗步驟

1）拍攝視頻。打開手機，錄制重錘自由下落過程，保證錄制的視頻清晰。

2）處理實驗視頻。打開Tracker軟件，在界面把錄制好的視頻直接拖入，建立直角坐標系，右鍵單擊坐標軸進行鎖定，選擇不可見。使用實際物體已知長度定標，然后在定標桿中部輸入實際的長度。單擊“播放”按鈕，可查看物體的運動軌跡及其在屏幕上顯示位置的記錄。設置確定視頻的起止幀，調節幀率，選擇質點跟蹤物體。按住Ctrl、Shift+鼠標左鍵，接著軟件自動追蹤即可，如圖1所示。

軟件主界面右側的畫圖區域會自動呈現y-t圖像，如圖2所示。

也可以點擊圖像縱坐標選擇K動能，就能顯示出K-t函數圖像。點擊圖像縱坐標按鈕定義，可以添加想要得到的函數圖像。本文需要計算重力勢能，點擊圖像縱坐標按鈕定義，可以添加重力勢能的函數，點擊func，刪除func，重新輸Ep，在對話框輸入函數表達式m*g*y，m和y必須從下拉菜單選擇，否則函數創建失敗。點擊回車鍵，顯示灰色表示創建函數成功。本文想要K-t函數圖像和Ep-

t圖像，就使用軟件的“分析”功能進行擬合，如圖3所示。

主界面右側的表格中會自動顯示物體運動的實驗數據，包括時間t、x軸、y軸，從而完成物體運動數據的采集。在該實驗數據處理中，點擊右側的表格倒小三角，跳出對話框勾選t、K、Ep；點擊畫圖區域y軸選擇需要的物理量，軟件會跳出圖像；點擊表格可以選擇實驗需要分析的物理量，進行數據采集，得到本文所用的數據t、y、K、Ep，如圖4所示（分兩次截圖）。

4" 實驗數據及處理

由于Tracker軟件數據處理自動計算動能和重力勢能，測量重錘質量為1 kg，只需要提取所需要的物理量y、Ep、K與t的數據，將系統處理的數據復制到Excel表中，通過Excel的求和公式計算各時刻機械能的大小和相對誤差，見表1。

由表1得出，由于機械能值無法查詢真實值，計算時用平均值代替真實值，計算出相對誤差均小于1%，實驗效果非常理想，在誤差允許的范圍內，重錘做自由落體過程中動能與重力勢能相互轉化，但是機械能的總量保持不變。利用Tracker軟件驗證只在重力做功的情況下，物體的機械能守恒。

5" 實驗改進優勢

使用Tracker軟件代替傳統打點計時器驗證機械能守恒定律的實驗，使得實驗裝置變得簡單，實驗器材取材方便易得，只要一部智能手機、小球和定標桿，學生就能自己在家完成實驗，實驗過程變得有趣簡化，節約了實驗操作時間，具有高效直觀的特點，可以有效減少實驗誤差，實驗數據處理更精確，提高學生的參與度。總之，利用Tracker軟件強大的追蹤功能和計算繪圖特點，可以激發學生探究實驗的興趣。

6" 利用Tracker軟件等信息技術創新設計

物理實驗，可以優化物理實驗教學效果

使用Tracker軟件等信息技術開創全新的實驗教學模式，增強物理課堂教學的滲透力，提高物理實驗課堂的趣味性，讓學生喜歡上物理課。將Tracker軟件等信息技術與物理實驗教學相融合，可以優化物理實驗教學效果，具體表現如下。

6.1" 實驗可控性提高

傳統實驗一般要求每隔四個點取一個計數點，時間間隔恰好為0.1 s，數據處理環節就是為了計算的方便，不能任意選取某一點。利用Tracker軟件處理數據，學生可以選擇更適合數據處理的時刻分析數據。

6.2" 實驗操作時間和空間更靈活

利用信息技術進行虛擬實驗或遠程實驗，學生可以在任何時間和地點進行實驗，不再受限于實驗室的開放時間，這樣就為學生提供了更大的靈活性和自主性，讓他們能夠根據學習進度安排實驗時間。

6.3" 實驗重復性與可比性提高

在傳統實驗中，學生可能由于種種原因無法反復進行實驗或者數據處理，從而限制了實驗結果的復現性和可比性。利用Tracker軟件，學生可以隨時重復實驗過程或者進行數據處理，提高實驗結果的精準性，并能快速進行多次實驗比較分析。

6.4" 數據獲取與分析更便捷

利用信息技術可以通過傳感器和儀器實時采集與記錄實驗數據，并提供給學生進行分析和處理。這樣可以減少學生手工記錄實驗數據的錯誤，提高數據的準確性和可靠性，同時可以提供更多的數據處理和圖像展示方式供學生分析實驗結果。

總之，利用信息技術改進物理實驗，可以提高實驗的安全性和可控性，增強時間靈活性，提高實驗重復性與可比性，并提供便捷的數據獲取與分析手段。這些優勢可以使學生獲得更好的實踐經驗，加深對物理原理的理解，并培養實驗設計、數據處理和科學思維等能力。

7" 結束語

筆者利用Tracker軟件有效地驗證機械能守恒定律[4]，可得到極其精確的實驗數據，使學生對于機械能守恒這一物理規律的學習更為清晰。利用信息技術創新設計高中物理實驗教學，可以豐富教學手段，提供更多的實踐機會，激發學生的興趣和參與度，并提供個性化學習支持和多樣化教學反饋，進而增強物理實驗教學的效果。另外，利用Tracker

軟件還可以進行平拋運動、單擺運動、豎直上拋運動、斜拋運動等傳統實驗，學生很樂于參與實驗，實驗過程興趣濃厚，不僅提高了學習的主動性，拓展了知識面，而且把抽象復雜的問題變得形象直觀。在Tracker軟件的追蹤軌跡過程中，可以更好地建構物理規律，優化高中物理實驗教學效果[5]。

8" 參考文獻

[1] 中華人民共和國教育部.普通高中物理課程標準（2017年版2020年修訂）[S].北京：人民教育出版社，2020.

[2] 暢文娟．高中物理實驗教學現狀的調查研究[D]．重慶：西南大學，2020．

[3] 許瓊.“驗證機械能守恒定律實驗”：從傳統到DIS的變革[J].物理教學，2020，42（10）：34-36．

[4] 王祥委，段娟娟，彭朝陽.用智能手機驗證自由落體機械能守恒[J].物理通報，2017（3）：91-93．

[5] 蔡克欣.對比法驗證機械能守恒定律的實踐探究[J].中學物理教學參考，2019，48（18）：69．