利用Tracker軟件對“水流星”問題進(jìn)行探究

(揚(yáng)州大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,江蘇 揚(yáng)州 225000)

1 數(shù)字化實(shí)驗(yàn)與Tracker軟件

數(shù)字化實(shí)驗(yàn)是指借助軟件將實(shí)驗(yàn)中的不可視信息通過計(jì)算機(jī)展示出來,使得在原有定性研究的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)定量研究,是一種新型實(shí)驗(yàn)形式,它將高速發(fā)展的信息技術(shù)與實(shí)驗(yàn)相融合,一方面可以開闊學(xué)生的眼界,另一方面也有利于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造能力。Tracker是借助計(jì)算機(jī)來進(jìn)行數(shù)據(jù)分析的視頻處理軟件,它可以對導(dǎo)入的視頻進(jìn)行解析,并追蹤研究對象的運(yùn)動(dòng)軌跡,從而展示出位移、速度、加速度等物理量的方向,經(jīng)過特定的設(shè)置還能精準(zhǔn)計(jì)算出這些物理量的大小。

2 “水流星”問題

“水流星”問題是在學(xué)習(xí)高中物理圓周運(yùn)動(dòng)這一章節(jié)后,作為考查學(xué)生對有關(guān)圓周運(yùn)動(dòng)知識掌握情況而設(shè)置的常見物理問題。例如:雜技演員在做“水流星”表演時(shí),用繩系著裝有水的水桶,在豎直平面內(nèi)做圓周運(yùn)動(dòng),若水的質(zhì)量m=0.5kg,繩長L=60cm,要想使水桶剛好能轉(zhuǎn)過最高點(diǎn),此時(shí)小桶轉(zhuǎn)動(dòng)的線速度至少是多大?設(shè)計(jì)此問題的目的在于使學(xué)生將所學(xué)知識用于實(shí)際情境中。

在以“水流星”為問題情境的題目中,設(shè)問為求在最高點(diǎn)水不流出的最小速率的習(xí)題占有相當(dāng)大的比例,這種題目存在問題,只通過計(jì)算往往會(huì)讓學(xué)生走入誤區(qū)，認(rèn)為兩種說法并無不同,而通過實(shí)驗(yàn)探究便可讓學(xué)生發(fā)現(xiàn)兩種設(shè)問的區(qū)別所在。

3 探究過程

用生活中常見的塑料瓶、繩子制作 “水流星”,創(chuàng)設(shè)水流星問題的物理情境,讓學(xué)生親自動(dòng)手實(shí)驗(yàn),主動(dòng)思考問題。經(jīng)過多位同學(xué)的親身體驗(yàn),最終發(fā)現(xiàn)要使瓶子完成完整的圓周運(yùn)動(dòng),瓶子在最高點(diǎn)需要具有一定的速率。教師要求學(xué)生用本章所學(xué)的知識嘗試求解經(jīng)過頂點(diǎn)時(shí)瓶子能進(jìn)行圓周運(yùn)動(dòng)的最小速率并解釋其原因。

實(shí)驗(yàn)探究步驟如下:

(1) 對實(shí)驗(yàn)過程進(jìn)行簡單調(diào)整,在水中加入墨水,方便追蹤運(yùn)動(dòng)軌跡。

(2) 用手機(jī)記錄運(yùn)動(dòng)過程,并將視頻導(dǎo)入Tracker軟件(圖1)。

圖1

(3) 如圖2所示，在畫面中建立直角坐標(biāo)系,選取圓心為坐標(biāo)原點(diǎn)。新建定標(biāo)桿,按Shift+左鍵分別選取起點(diǎn)和終點(diǎn),根據(jù)測量的長度來標(biāo)定。

圖2

(4) 如圖3所示，新建質(zhì)點(diǎn),可按住Ctrl+Shift+左鍵自動(dòng)跟蹤質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)軌跡,也可按住Shift +左鍵手動(dòng)選取。

圖3

圖4

4 結(jié)語

在解決物理問題的過程中,僅用紙筆進(jìn)行講解和分析一方面會(huì)使學(xué)生感到枯燥,脫離實(shí)際,另一方面只進(jìn)行理論推導(dǎo)缺少說服力。正如本文提到的“水流星”問題,大多數(shù)學(xué)生甚至部分教師對于題目設(shè)問中存在的問題絲毫沒有覺察。借助于數(shù)字化實(shí)驗(yàn),可以直觀地展示實(shí)驗(yàn)過程和結(jié)果,剖析實(shí)驗(yàn)中的每一個(gè)細(xì)節(jié)。借由Tracker軟件將具體真實(shí)的數(shù)據(jù)展現(xiàn)在學(xué)生眼前,不僅可以幫助學(xué)生加深理解與記憶,還能提高學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)的興趣。在信息技術(shù)迅速發(fā)展的今天,物理教學(xué)與多媒體等進(jìn)行融合已成為必然,由此應(yīng)運(yùn)而生的數(shù)字化實(shí)驗(yàn)也對物理教學(xué)大有裨益,除了本文提到的Tracker軟件外,手機(jī)自帶的拍攝功能、Phyphox軟件、數(shù)字傳感器等都可以為物理實(shí)驗(yàn)提供有力的幫助,建議廣大教師能在教學(xué)中重視和應(yīng)用數(shù)字化工具探究實(shí)驗(yàn)。