利用視頻分析軟件Tracker分析“木塊滑板”問題

張樹國 肖芝清

(無錫市玉祁高級中學 江蘇 無錫 214183)

1 引言

“木塊滑板”問題，是高中物理力學知識體系中的典型問題，其主要涉及運動的描述，勻變速直線運動規律，牛頓運動定律，功能關系及動量和動量守恒等.解決這一類問題不僅要進行受力和運動過程分析，還要畫出運動過程圖、受力分析圖及v-t圖，因而對學生的綜合能力有很好的考查功能，成為高考熱點.此類“木塊滑板”是抽象而乏味的教學難點，而當前教學中主要靠教師設計典型的問題，引導學生進行理論分析或者用一題多解的方法[1,2]，效果并不理想.

《普通高中物理課程標準(2017年版)》中明確指出[3]：“在物理教學中，應讓學生獲得在實際情境中解決物理問題的大量經驗，形成把情境與知識相關聯的意識和能力”.因而創建真實的“木塊滑板”情境將有利于解決這一教學難點.借助小實驗是一個有益的嘗試[4]，不足之處是只能定性不能定量.慢速攝像技術可以將短暫的過程還原清楚[5]，視頻分析軟件Tracker實現了物體運動軌跡的跟蹤和物理量的定量測量和輸出[6～9]，二者的結合為真實的“木塊滑板”問題的教學開辟了新的途徑，實現了在實際情境中解決物理問題.

2 創設問題情境

為了幫助學生解決好這類問題，筆者創設了一個真實的“木塊滑板”問題，讓學生直觀地看到“木塊滑板”的相關運動過程，使學生在真實的物理情境中體驗并發現問題.

創設真實情境如下,如圖1所示，讓重物C用細線通過定滑輪拉動置于滑板B上的木塊A，滑板B在A的摩擦力作用下也向右運動(二者發生相對滑動)，當C著地后，A，B一起減速至滑輪前停止運動.問：在剛才的實際情境中，當釋放重物C后木塊A和滑板B分別做什么運動?

圖1 創設“木塊滑板”情境示意圖

如圖2所示，用長木板放置在兩輛小車上組成滑板，木塊右端通過細線繞過長條桌邊緣的定滑輪掛著鉤碼C，用手機拍攝視頻待用.

圖2 創設“木塊滑板”真實情境圖

3 運用視頻軟件

3.1 定性觀察和初步分析

將錄制好的實驗視頻導入軟件Tracker的主窗口，確定好起始幀、結束幀和步長(起始幀為6，結束幀為68，步長為2)，建立坐標系并選擇好長度定標如圖3所示.播放視頻，請學生觀察木塊、滑板兩物體的運動，用語言描述其運動，并畫出運動示意圖和v-t圖.

圖3 在Tracker軟件中建立相關參數

大部分同學能將全程分成兩個過程，分別是物體C落到地面之前，A在細線的拉力作用下向右加速，B物體在摩擦力的作用下也向右加速.物體C落地之后，細線上沒有了拉力，A和B一起向前減速到零的過程.那么是不是這樣呢？再次觀察，利用Tracker軟件的軌跡跟蹤功能，獲得如圖4所示結果.

下面進行更詳細的討論.

圖4 利用Tracker軟件，獲得的木塊A和滑板B的運動軌跡

3.2 有拉力作用的過程

重新設定觀察范圍(起始幀為6，結束幀為32，步長為2)，如圖5所示，請同學觀察木塊和滑板做什么運動.先看木塊的運動：從v-t圖像上看，可以認為是勻加速運動.再看滑板的運動：從v-t圖像看也是勻加速運動.為什么是勻加速直線運動呢？這時候再分析受力，用牛頓定律解釋.

圖5 有拉力過程利用Tracker軟件，獲得的木塊A和滑板B的運動軌跡與v-t圖像

3.3 撤去拉力后到達共同速度的過程

重新設定觀察范圍(起始幀為32，結束幀為38，步長為2).用步進的方式仔細觀察木塊和滑板的運動，可以發現木塊在滑板上還有一段相對運動，如圖6所示.

圖6 撤去拉力后達到共同速度時利用Tracker軟件，獲得的木塊A和滑板B的運動軌跡與v-t圖像

最后才共同向前減速.再分析受力，用牛頓定律來解釋.

3.4 達到共同速度后的過程

重新設定觀察范圍(起始幀為38，結束幀為68，步長為2)，如圖7所示再觀察.可見二者是保持相對靜止，一起做勻減速到停止.對該過程再分析受力，用牛頓定律解釋.

圖7 達到共同速度后，利用Tracker軟件，獲得的木塊A和滑板B的運動軌跡與v-t圖像

3.5 完整的運動過程及v-t圖

經過前面的初步觀察、分段再觀察和分析，最終得到圖8所示運動的全過程，視頻分析軟件得到了真實的v-t圖像如圖9所示.學生感受直觀，理解深刻.

圖8 運動全過程示意圖

圖9 利用Tracker軟件獲得的木塊A和滑板B真實的v-t圖像

4 反思總結

傳統的木塊滑板教學中，教師基本都是采用理論分析的方法予以講解，學生理解起來比較困難，大部分學生基本上是一聽就懂，一做就錯的怪現象.筆者認為學生很大一部分原因是對木塊滑板模型的過程認識不清導致的，而物理學科是一門以實驗為基礎的特殊學科，有些物理模型是可以通過演示實驗來幫助學生理解其物理過程，但是,由于運動的可視度以及難點的隱蔽性等問題，讓實驗者和觀察者很困惑，即使演示了也看不清主要的物理過程.如能創設真實的情境，利用視頻分析軟件Tracker跟蹤運動對象，對復雜的、快速的運動過程可以分段地慢速再現并自動輸出物理量，使復雜的物理過程形象化、直觀化.Tracker軟件應用與物理教學有機結合，便可以有效地培養學生觀察實驗，構建物理模型，應用數學等工具，通過科學推理和論證來解決問題的能力，發展科學思維.