Tracker助力打造高中生家庭物理实验室——以“研究匀变速直线运动”为例

Tracker助汐打迭高中生象矣物理卖验金
—以“研究匀变速直线运动”为例
陈应飞
(六盘水市民族中学贵州六盘水553000)
摘要：在高中物理学习中常常伴随着物理实验，为了弥补常规教学中因场地、器材和时间等诸多因素的制约，打 造高中生自我专属的家庭物理实验室是一种不错的设想，基于Tracker软件平台对此设想进行探索.通过研究发现，借 助于Tmckei■软件，并以一些常见的生活器材、物品为辅助，学生可以很好地开展实验探究过程.
关键词：Tral'k er;运动视频分析；家庭物理实验室
文章编号：丨〇〇8 -4134(2020)23 -0053 中图分类号:G633.7 文献标识码：B
1研究背景
在《普通高中物理课程标准（2017年版）》中，无 论是对物理的课程性质定位，还是对物理的学科核心 素养“四位一体”设计，实验探究之于物理，均是相生 相伴、占有举足轻重的地位.在课程标准的落实方面，《普通高中物理课程标准（2017年版）》中的“地方和 学校实施本课程的建议”指出：“学校要根据学生人数 按国家标准开设足够的专用实验教室,配齐配足实验 器材”，并强调“学生实验是其他任何方式都无法替代 的物理学习方式，要根据课程标准，最大限度地安排 学生实验
对于高中生而言，如果学校软硬件条件齐全，配 置了足够的实验场地和实验器材，同时能开放实验室 允许学生自由进人开展实验探究的话，无疑会充分激 发和满足学生自主开展实验探究的需求.然而，现实 情况是实验场地和实验器材的足够配置对于部分学 校是不可能完全做到的，加之人员配备、时间协调和 安全管控等因素的制约,也不一定能随时开放实验室 给学生使用.特别是自进人2020年春季学期以来，受 新冠疫情影响，学生借助学校实验室自由开展实验探 究就更加困难.
能否组建学生个人专属的家庭物理实验室呢? 如果答案肯定的话，那么无疑可以很好地解决上述问 题，同时也更加有利于培养学生的科学态度和科学精 神.物理基于实验，也源于生活，物理规律源于人们的 日常生活，这为我们借助日常用品和材料来替代实验 材料组建家庭物理实验室提供了可能.此外，当前正 处于教育信息化2. 0时代，信息技术已经高度融合于 教育领域.体现在物理实验探究过程中，就是引人了各种D I S数字实验器材，并借助计算机软件分析和处 理实验数据.鉴于当前大多数高中生家庭的实际条件，购置各种专业的传感器和数据采集器是不现实的，但是若通过常见的智能手机和家用电脑，紧跟时 代步伐开展数字化实验—T m c k e r这一款软件就可 将其实现.
Tracker是一款建立在开源物理（Open Source PhySi CS，0SP )Java框架下的视频分析和建模工具软 件，由美国卡布利洛学院物理系的道格拉斯•布朗(Doug Brown)教授开发和升级维护，该款软件免费提 供给用户使用.
Tracker软件通过对运动物体的影像文件进行逐 帧分析，可自动追踪物体的运动轨迹，并在对影像文 件中的空间距离进行了定标的基础上，该软件可以对 影像文件中指定的物体的位移、速度、加速度等运动 参数进行分析，还可以对相关物理量之间的关系进行 拟合运算.
2利用Tracker研究匀变速直线运动
匀变速直线运动是高中生学习高一物理后遇到 的最为基础的一种变速运动，在各个版本的物理教科 书中均设置了让学生在实验中探究匀变速直线运动 规律的章节.可见学生对该实验的探究过程是否取得 良好效果,将对学生后续学习物理的兴趣和积极性有 很大的影响.
为了探究匀变速直线运动的规律，教材中设计了 用打点计时器对与运动物体固定在一起的纸带打点，然后选择比较清晰的纸带测量距离，最后进一步地计 算和分析实验数据.从多年的一线实验教学中同学们 的反馈来看，不少同学在实验中的切身感受是比较枯
作者简介：陈应飞（1984-),男，贵州t；安人，项士，中学高级教师，研究方向：中学物理学科教学.
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燥的，经过实验操作后对匀变速直线运动规律也不是 很理解.
利用Tracker对匀变速直线运动开展实验探究，不仅易于操作、随处可做，而且会让实验的过程显得 生动形象，同时由于利用信息技术处理实验数据，也 能让学生与时俱进，应用新技术处理遇到的问题.
在本次实验中，我们将用到条几、钢卷尺、小钢 珠、长尾夹、矿泉水瓶、手机、三脚架和电脑等器材.
2. 1运动视频录制
实验场地选择在家里的客厅进行，其中“抽调”条 几临时提供运动平面，小钢珠作为匀变速直线运动的 “主角”出镜，钢卷尺、长尾夹和矿泉水瓶作为“配角”提供尺寸定标，同时钢卷尺也作为滑槽供小钢珠滚 动.拍摄场景布置如图1所示.
图1匀变速直线运动视频拍摄场景
在确保视频拍摄镜头的轴线与物体运动平面垂 直后，按下视频拍摄键，随后将小钢珠从靠近矿泉水 瓶一端的钢卷尺上轻轻释放，此时小钢珠将沿着钢卷 尺向下做匀变速直线运动，其运动过程被手机录像后 通过Q Q或是其他无线传输方式传至电脑并重新命名 储存备用.
2. 2视频剪辑设定和空间参数设置
打开Tracker,通过“Ctrl + 0”或其他方式导人视 频文件.对于导入的视频影像，我们需要的仅仅是其 中记录了小钢珠做勻变速直线运动的影像片断，通过 工具栏中的按钮调出“视频剪辑设定”窗口，并根据实 际情况设置参数以确定待分析的视频片断.
由于Tracker不可能知晓视频中物体的真正空间 距离等数据，因此需要对视频画面的空间尺寸参数加 以校正.首先，通过工具栏中的按钮新建一个“定标 杆”，并通过“Shift +鼠标左键”分别点击绿色长尾夹 右下角和红色长尾夹左下角，随后将定标杆的长度设 定为真实距离，即〇.400m.随后，通过工具栏中的按 钮调出直角坐标系，并将原点拖动至起始巾贞中小钢珠 的位置，这样就在视频画面中建立了与真实物理空间相对应的坐标系，效果如图2所示.
0.400m^
1
图2经空间参数设置后的效果图
为了避免在后续操作中不小心移动定标杆和坐 标系，一般通过鼠标右键分别调出两者的属性菜单，并将菜单中“可见”选项前的“V”取消.
2.3 轨迹追踪数据分析
通过工具栏中的按钮新建一个“质点”模型，并由 “S hift+鼠标左键”点击起始帧中的小钢珠中心.
为了让Tracker自动对小钢珠的运动轨迹进行追 踪（如图3),通过鼠标右键点击前面刚建立起的质点 模型（小钢珠中心处），在出现的菜单选项中选择“自动追踪随后通过“Shift+ Ctrl +鼠标左键”在起始帧 中点击小钢珠中心，此时可能需要微调红色实线圆圈 和红色虚线矩形框，让Tracker更加准确匹配小钢珠 并追踪其运动.
Tracker对小钢珠的运动轨迹进行追踪的同时，软 件主界面右侧将同步展示生成的运动数据和据此绘 制的运动图像：*-«图（如图4).
从Tracker给出的x - *图中可以看到，图像类似 抛物线函数的图像，因此在主界面右侧的图中双击以调出Tracker的“数据工具”窗口，利用软件的“拟 合”功能，选择软件内置的“抛物线拟合”，拟合的效果 如图5所示.
对于拟合方程“x= A*r2+B*t+ C”，从 Tracker 对小钢珠关于* - «图像的拟合系数（correlation coefficient)为 0.942 ,而均方根偏差（rms deviation)为 1.677 x10
与匀变速直线运动的位移公式
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x=v0t+ —atr
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庚量A(t
t(s)t(S)X(m)
0000-1465E-3▲
0033-8.537E-3
0.067-1662E-2
0.100-2424E-2
0133-3401E-2
0.166-4750E-2
0200-6271E-2m
0233-7865E-2
0.266-9605E-2
0300-0.116
0333-0 139
0.366-0.164
0399-0.190—
0433-0.218
0466-0.248
0499-0 281
0 533-0316
05661-0.352
03991-0 392
~~06321
~~
•0.433
-0.476
0.699-0.521
0.732-0.569一
6 7661-〇 618
图4小钢珠的位移一时间图像及对应的运动数据
投会名称:▼似台分析2._.
拟合方f t: X = AT2 ♦ B*t ♦ C B-8249E-2
E自动拟僉rmsd®v; 1 677E-3_______
Correlafion coefficient (R-squared) = 0 M2
图5用Tracked置的抛物线拟合结果
相对比，可以得知小钢珠运动过程中的初速度是8.249 x U T2m/s,加速度是 1.869m/s2.
类似的操作，可对小钢珠的〃-< 图选择“线性拟 合”，其拟合效果如图6所示.
对于“线性拟合”方程“v = A * t + B”，小钢珠运 动过程中的速度与时间成线性关系是可信的，其拟合 运算的相关系数达到〇.999,均方根偏差则为2. 556 x H r2.
与匀变速直线运动的速度公式
vt =v0at
相对比，小钢珠的初速度和加速度分别为9.223 x 10 —3m/s和 1.860 m/s2•
2.4拓展建模
除了前面利用Tracker内置的函数对运动数据进 行拟合运算外，在更多的情况下，需要我们自己建模.
Correlation coefficient (R-squared) = 0.999
图6用Tmckerrt置的线性拟合对速度一时间关系拟合结果
在Tracker中，通过“F i t Builder”窗口构建新拟合 函数（如图7).对于前面的:e-t图像和图像，分 别构建函数命名为“匀变速直线运动位移”和“匀变速 直线运动速度
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图7新建拟合函数
为了构建前述函数，我们用到了“F i t Buildei■”窗 口中的“参数”对话框里的“添加”按钮，通过该按钮 可以添加和命名物理量，另外通过“函数”对话框里的 “添加”按钮增加新函数，鼠标左键双击“表达式”输 人框后即可编写新函数的表达式.
经过与前面类似的拟合操作后，利用新建函数“匀变速直线运动位移”和“匀变速直线运动速度”分 别对和图像拟合后，效果如图8所示.
相比Tracker的内置拟合函数，新建的函数由于 与匀变速直线运动的位移公式和速度公式一致，针对 性较强，可以直接将拟合得到的参数与运动学公式做 对比，直观性也更强.
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•高考研究•
基于高考评分細則的“两严”与“两觉”规避易错读区—以2017年全国I卷理科综合第22题为例
王小庆
(深圳市光明区高级中学广东深圳518106)
摘要：在2017年的全国I卷理科综合物理实验第22题中的计算存在一些小的争议.但在评卷过程中，评卷专家 给出了科学、严谨的评分细则，集中体现在“两严”和“两宽”细节上，由此可以看出高考的权威性和公正性.本文通过对 “严”与“宽”的阐述，希望对下届高考考生有一点启发，降低失分率.
关键词：创新实验；滴水计时器；科学严谨；高考评分；易错误区
文章编号：1〇〇8 -4134(2020)23 -0056 中图分类号：G633.7 文献标识码：B
1引言
自2014年我国在夏季达沃斯论坛上提出“大众 创业、万众创新”的口号以来，国家的各个领域迎来了 改革创新的春天.与此同时，在物理教学方面，我国积 极推进深化课程改革.物理是一门以实验为基础的学 科，绝大多数物理定律都是在大量实验的基础上归纳总结出来的，物理实验对物理学的发展和物理教学都 起着极其重要的作用.随着科学技术的高速发展，物 理实验仪器和实验方案正在发生翻天覆地的变化，依 靠当今现代化的实验教学设备，物理实验正在被不断 创新、不断优化[1:.同时，在近几年的高考试题中，有 关创新的话题和创新的实验层出不穷.
基金项目：深圳市教科院立项课题“高中物理微慕课（M00C)课程的开发与实践研究”（课题编号：YBZZ17100). 作者简介：王小庆（1984 -),男，广东深圳人，硕士，中学一级教师，研究方向：课程与教学论、物理创新实验.
Correlation coefficient (R-sguared) = 0.942
拟合名称:@变i t塵线运动速*▼1拟合分柝S J-le f t f i
W合方8: v = v〇*a't I a1860E0
B自谢f i台n n s dev: 2 5566-2
Corr«iation coefflaent (R-squared) = 0.999
图8新建拟合闲数拟合后结果
3结束语
本文基于Tracker软件以案例分析的方式探讨了 如何借助常见的生活用品开展物理实验探究，但面对 当前突飞猛进的技术进步和日新月异的教学改革，仅 依靠一款软件的功能还是不足以面面俱到的，唯有我 们不断尝试，方能在变化之中不落下步伐.
参考文献：
[1] 中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准(2017年版）[M].北京：人民教育出版社，2018.
[2] 王太军.用Tracker分析物体运动视频的误区与对策 建议[■!].物理教学探讨，2017( 11):33 -35.
(收稿日期：2020 -09 -15)
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