Tracker軟件在學生探究實驗中的應用

周琴 方德鑫

摘 要：在探究開放的物理實驗中，經常遇到運動較快、難于測量的運動學實驗，Tracker軟件能夠較好地解決這類問題.但使用軟件過程中有許多細節需要處理，本文以拋體運動探究為例，說明Tracker軟件在本實驗中的具體應用.

關鍵詞：Tracker軟件; 拋體運動

1 引言

“蘋果從釋放到落地一秒都不到，怎么判斷它是什么運動？”“單擺運動和圓周運動有關系嗎？很難想象出來.”學生常有這樣的問題出現.太快的運動、太抽象的模型怎樣能被“看見”？生活中的現象是否與理論相符？物理實驗需要與信息技術融合，來解決一些常規方法難以實現的疑難實驗問題.Tracker軟件是一款簡捷的視頻分析軟件，可以追蹤選定研究對象的運動軌跡，大量數據分析可定量得到運動的規律.

由于軟件有多項物理量可做分析（如圖1），又有常見的擬合功能，非常適合在物理探究性實驗中發揮作用.物理探究性實驗課題都是貼近生活的開放性物理問題，也就是我們所說的“真問題”，與課堂教學預設好的“探究”不同，真問題探究往往需要真實情境，Tracker軟件可以輔助分析真實運動視頻，解決真實運動事實，更具表現力和說服力.

2 拋體運動探究實例

拋體運動是生活中常見的運動，本文以此為題，進行如下探究任務.

2.1 探究任務一

生活中常見的斜上拋運動、平拋運動、斜下拋運動，運動軌跡各不相同，但它們具有的共同運動規律是什么？分組完成實驗探究，描述水平和豎直方向的運動規律并分析實驗現象與理論之間的差異及其可能因素.

2.1.1 實驗器材：各類小球、手機、電腦、Tracker5.0.6軟件、Excel表格

2.1.2 運動軌跡拍攝和數據處理

（1）選擇合適的實驗器材，設計好拋射角度和合適的初速度大小，確定拍攝視角，利用手機慢動作完成拍攝.

（2）打開Tracker軟件，將視頻導入，點擊播放，觀察選取合適的起始幀和結束幀.

（3）點擊菜單中“軌跡-定標棒”根據小球直徑大小進行定標.點擊菜單中“軌跡-軸”根據視頻中背景信息如黑板放置的方向來確定水平方向為x軸方向.

（4）點擊菜單中“軌跡-新建-質點”創建一個要研究的對象，在軌跡控制小窗口中點擊質量A，下拉菜單中點擊自動追蹤，系統會自動追蹤研究對象的運動軌跡，或按提示命令手動追蹤，每追蹤一個位置，相關的數據在右側以圖象和表格形式分別顯現出來（如圖2）.

（5）雙擊右側圖象區域，進入數據分析界面，點擊“Analyze-擬合”，如圖3所示，x-t圖線擬合為一直線，斜率為4.201，說明水平方向在誤差允許范圍內可視為勻速直線運動，水平速度大小為4.201m/s.

（6）改變縱軸坐標為vy，繼續重復步驟（5），如圖4為vy-t圖線，擬合后斜率大小為9.167，說明豎直方向為勻變速直線運動，加速度大小為9.167m/s2.

2.1.3 交流、形成結論

三組學生交流活動過程，得到各種拋體運動的加速度大小都在10m/s2數值附近，水平方向為勻速運動，豎直方向為勻變速運動.

2.1.4 討論、解釋存在的問題

問題1：在vx-t圖中有可能擬合后的直線斜率為負值，為什么不是勻速運動呢？也有學生得到斜率為正的擬合方程，那又如何解釋呢？

問題2：如圖4為vy-t圖線，擬合后斜率大小為9.167，加速度為什么略小于重力加速度9.8m/s2？

學生展開討論，分析實驗細節，最終得到兩方面原因：一是小球實際受到重力和空氣阻力，加速度會略小，水平方向的運動也會是減速運動;二是拍攝和自動追蹤時存在不精準的情況.比如拍攝角度傾斜，沒有定好x軸方向等易得到與預期相反的結論.詳細細節討論在第三部分進行.

2.2 探究任務二

提供一段不完整的投籃視頻，根據籃球的運動軌跡能否判斷籃球是否最終空心進框？實驗步驟如下：

2.2.1 在Excel中得到籃球的運動軌跡方程

將Tracker軟件界面中右側表格數據復制至Excel，在Excel中選中數據，插入圖表，選擇“散點圖”，在圖表中點擊右鍵，選擇“添加趨勢線”，出現趨勢線后，點擊設置趨勢線，選中趨勢線選項為“多項式2”，因為是拋物線方程，選中“趨勢預測”向前5周期，得到籃球的預期運動軌跡，選中“顯示公式”“顯示R平方值”，圖表中顯示出相應的軌跡方程，R2接近1，表示擬合度很高（如圖5）.

2.2.2 判斷是否空心進框

可以發現，籃筐的尺寸是比球的尺寸大很多的，籃筐內徑大約45cm，籃球的直徑只有24.6cm，所以實際上要滿足籃球空心投進籃筐這個事件在籃筐平面內并非只有一個落點，而是有一塊區域都可以實現，那么這個區域是什么樣子的呢？根據幾何學知識應該可以判斷出來，只要以籃筐中心為圓心，以筐和籃球的半徑差為半徑畫出的一塊圓形區域都是符合條件的，所以從視頻中我們可以事先找到這個區域的橫截面區域，并進行標記，在之前我們做好的軌跡預判圖上進行標記，如果根據規律預判出來的軌跡和我們的目標區域有交點，那就有很大概率是空心投進的（如圖6，圖中兩點為籃筐內徑最左側和最右側的兩點的坐標）.

3 實驗細節

Tracker軟件只是對追蹤的運動信息的真實處理，所以實驗結果有時與理論相矛盾，這時老師需要指導學生不斷回顧反思整個過程中存在的問題，更關注實驗細節的優化處理，才能夠提高分析的準確性，從而提升自身的實驗素養.以上述案例為例，學生需要注意的細節大致為以下幾點：

3.1 實驗設計方面

與教學實驗道具相比，學生探究實驗器材是自由選擇非定制的，實驗結果容易出現與預期不符的情況，因此學生需根據實驗目的，選擇合適實驗器材，考慮發射方式.比如平拋運動，需要考慮如何讓小球水平射出，還需注意拋出后的運動在哪個平面內.從分析精度考慮，小球的初速度不宜太快，手機捕捉不清楚，又不宜太慢，射程過短數據點太少.那么如何調整合適的發射速度呢？本案例中我們選擇用玩具彈簧槍連發幾個小球，同時拍攝幾個小球的運動軌跡，進行比較后選擇最合適的研究對象.

3.2 拍攝方面

（1）拍攝角度需與所探究運動平面垂直，手機盡量水平放置，一般可用三角架放置手機拍攝.（2）由于物體運動較快，所以選擇手機拍攝中的“慢動作”功能，現在手機一般可以240幀/秒，也有手機能做到960幀/秒，相應精度也較高.但在導入視頻時要注意視頻屬性中是否顯示為相應幀數，通過網絡傳輸視頻時幀數可能會有改動.（3）拍攝時背景和被攝物體要有明顯色差，這樣在自動追蹤時可以流暢進行.

3.3 軟件操作方面

（1）定標需精確，視頻畫面中兩點間定標誤差在實際距離中成比例放大，造成很大影響.因此謹慎選擇定標點，比如直接選擇小球直徑定標比較簡捷也較為精確.（2）對自動追蹤的過程要留心觀察，一般到追蹤后半段，追蹤的質心點會有偏差，這時需要手動追蹤，及時修正.

3.4 數據分析方面

（1）與DIS系統數據處理原理類似，根據視頻中追蹤物體在不同時刻的像素點的位置，通過微分算法等數學算法進行數值計算獲得“近似”的物體速度、加速度等數據.所以如果要得到運動的加速度，在vy-t圖線上進行擬合獲得，而并不是直接在a-t圖中獲得;如果要得到水平的速度大小，在x-t圖線上進行擬合獲取.（2）Excel是款強大的數據處理軟件，借助Tracker軟件測得數據后可以在Excel中完成更多的擬合、趨勢等處理工作.

4 結束語

Tracker軟件使實驗任務有了更多的解決途徑.學生學習Tracker軟件并不花時間，但難度在于用好工具解決問題，需要更完善的實驗設計方案、對得到的信息有效地解釋和改進，才能提高科學探究的能力.

參考文獻：

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