手機Vernier Video Physics App在物理實驗探究中的應用

唐佳鈺 鄭淵方 張德培

摘? ?要：信息技術與物理教學的融合是當今物理教育的熱點。利用手機Vernier Video Physics App研究自由落體運動和單擺運動，對小球進行逐幀追蹤定位，實時創建出小球做自由落體運動及單擺運動的相關運動圖像并進行數據擬合，簡便、高效、直觀地揭示物體運動規律，促進學生對物理概念和規律的理解，為教師輔助傳統實驗教學及學生課外自主探究提供了有力工具。

關鍵詞：Vernier Video Physics;視頻分析;實驗探究

1? 引言

隨著科技的迅猛發展，信息技術早已與我們的生產生活密不可分。《普通高中物理課程標準（2017版）》在教學建議中提出，要“重視科學探究能力的培養和信息技術的應用：要設計各種學習活動讓學生利用信息技術提升物理學習能力，例如利用手機等信息技術工具便捷地解決某些物理學習問題。”[ 1 ]，在當今時代背景下，信息技術已逐步走進物理課堂，利用手機傳感器、手機視頻分析App等新興信息技術工具能夠便捷地解決物理實驗中的一些問題，從而改進物理教學效果，更好地發展學生物理學科核心素養。

Vernier Video Physics是Vernier Software&Technology公司開發的一款手機視頻分析App，該App利用手機拍攝物體運動的視頻，通過對視頻畫面的定標，對研究對象進行逐幀的自動或手動追蹤定位，實時創建出物體運動軌跡曲線圖及物體在x、y方向的位移和速度隨時間變化的圖像，同時可根據需要將數據進行擬合得到速度、加速度等物理量。Vernier Video Physics App以手機為載體，能夠隨時隨地在手機上完成拍攝物體運動視頻并直接量化分析的一體化操作。它以簡便的操作步驟，高效直觀地揭示物體運動背后所隱藏的物理規律，且具有數據精確和成本低易于推廣等優勢，為研究二維運動學提供了極大的便利。同時信息化的實驗方式有利于激發學生的探究欲望，拓展學生視野，培養學生運用信息化手段處理物理問題的能力，提升學生的科學探究水平。本文主要以自由落體運動和單擺運動為例，介紹手機Vernier Video Physics App在物理實驗探究中的應用。

2? 利用Vernier Video Physics進行物理實驗探究

2.1? 探究自由落體運動

利用Vernier Video Physics探究自由落體運動具體分為以下幾個方面。

（1）實驗器材

安裝有Vernier Video Physics的手機、小鋼球、三腳架。

（2）視頻拍攝

使用智能手機拍攝一段小鋼球做自由落體運動的視頻（幀率為60fps）。拍攝時需注意幾個事項：第一，應使用三腳架固定手機以保持拍攝畫面的穩定性，且鏡頭軸向應與小鋼球運動平面垂直;第二，選取與小鋼球顏色對比度較高的白色墻面作為背景，有利于后續對物體的自動追蹤;第三，為保證錄制的運動視頻中物體不產生“拖影”，可在錄制時將拍攝幀率調高，同時增加手機攝像頭的快門速度，一般快門速度為1/500 s左右即可使每幀畫面中的物體清晰不“拖影”，從而更易于后續的定位分析。

（3）軟件操作步驟

①導入視頻

將拍攝好的視頻導入到Vernier Video Physics中，對視頻進行剪輯以獲取所需的運動分析片段。

②對視頻畫面進行定標和設置坐標軸

使用已知尺寸的物體來設置視頻畫面與真實場景的縮放比例。在本次實驗中選取小鋼球的直徑（2 cm）作為標尺，如圖1所示，點擊“Origin&Scale”，將定標尺的兩端分別置于小鋼球的直徑兩端，并將直徑（0.02 m）輸入框中;為了便于研究，我們將坐標軸的原點移動至小鋼球的球心處，建立坐標軸。坐標軸還可根據不同實驗的需要來調整角度。

③逐幀追蹤研究對象

點擊“Points”，將追蹤圓環的十字準心移動至球心處，點擊圓心來標記此時位置。移動縮放滑塊以更改追蹤圓環的大小使其恰好包裹住小鋼球，點擊“Track”，軟件將自動追蹤小球的位置。如圖2所示，標記了小球在運動過程中的每一幀位置的一系列點跡呈現于畫面中，可在一定程度上代替頻閃圖。

④圖像分析及擬合

數據采集完畢后，點擊右上角的圖表標志，查看小鋼球做自由落體運動的y-t圖像及v-t圖像如圖3所示。由圖像可以看出，小鋼球在豎直方向上的位移隨時間變化的圖像為拋物線;在誤差允許的范圍內，小鋼球做的是初速度為零，速度均勻增大的勻加速直線運動。

利用數據分析軟件，對圖像進行進一步的擬合分析，計算出小鋼球做自由落體運動時重力加速度。將數據直接導入至同公司開發的Vernier Graphical Analysis App中，對小鋼球的y-t圖像進行二次方程式擬合，如圖4所示，得到擬合方程為y=-5.077t2-0.0307t（常數項忽略不計）。對二次項系數取絕對值a'=5.077 m/s2，結合勻加速直線運動的一般公式：y=v0t+■at2，對比可得物體下落時的加速度a=2a'=10.154 m/s2，相比于重力加速度的理論值g=9.8 m/s2，相對誤差為3.61%。

對v-t圖像進行線性擬合，如圖5所示，得到的擬合方程為v=-9.749t-0.09984，r=-0.999，說明線性擬合效果較好。擬合方程斜率為-9.749，可得物體下落時的加速度為9.749 m/s2，與重力加速度理論值的相對誤差僅為0.52%。

課堂上還可多次分析其他例如橡皮、硬幣、木球等物體的運動視頻，引導學生發現這些物體下落時的加速度都大致相等，從而可在此基礎上引入重力加速度的概念。通過Vernier Video Physics視頻分析，使學生基于真實世界的運動視頻自主構建對自由落體運動概念和規律的理解，直觀揭示了自由落體運動的運動規律：初速度為零的勻加速直線運動，重力加速度為9.8 m/s2。

2.2? 探究單擺運動

利用Vernier Video Physics探究單擺運動在視頻拍攝與軟件操作的過程同上文探究自由落體運動大致類似，因此在這里僅做簡要說明。在擺角<5°，擺長l=61 cm的條件下，錄制一段擺球擺動的視頻并導入軟件中，將坐標原點設置于擺球球心的平衡位置處，y軸與擺線重合。依次對畫面進行定標、自動追蹤后，得到擺球的運動點跡如圖6所示，擺球的x-t、v-t圖像如圖7所示。

由x-t圖像容易看出，擺球的運動符合簡諧運動的規律。由v-t圖像可知擺球在平衡位置處速度最大，在位移最大處速度最小。在傳統教學中將單擺的回復力寫成F=-kx的形式來證明單擺做的是簡諧運動，該種理論方法不夠直觀，而利用Vernier Video Physics分析得到的x-t圖像則直觀證明了單擺做的是簡諧運動，同時與v-t圖像結合亦容易看出擺球在特殊位置處速度與位移之間的關系。在教學中將理論方法與視頻分析技術得到的運動圖像相結合分析，有利于促進學生對單擺簡諧運動規律的直觀認識與理解。

對單擺的x-t圖像進行正弦擬合，得到擬合后的簡諧振動方程式如圖8所示，x=0.03562 sin（4.018t+6.152）（常數項忽略不計），ω=4.018 rad/s，計算得周期T=■≈1.564 s。由單擺的周期公式T=2π■得g=■=9.845 m/s2，與重力加速度理論值的相對誤差為0.46%。利用Vernier Video Physics逐幀定位擺球位置，較為精確地計算出單擺周期，使計算得到的重力加速度誤差較小。

實驗中還可利用控制變量法，多次改變擺長，探究單擺周期與擺長的定量關系;多次改變擺球質量或擺角，分別探究單擺周期與擺球質量或擺角的關系。

3? 結語

利用手機Vernier Video Physics App進行物理實驗探究，對研究對象進行逐幀追蹤定位，實時創建物體運動圖像并對其進行量化分析，簡便、高效、直觀地揭示了物體運動規律，在一定程度上減小了實驗誤差，且成本低，易推廣，是輔助傳統實驗探究的重要手段。對于學生而言，軟件的應用使學生能夠基于來源于真實世界的視頻自主構建對物理知識的理解，幫助學生在頭腦中形成直觀的物理模型和物理過程，促進學生對物理概念和規律的理解;對于教師而言，軟件的應用為中學物理教師提供一種新型、有效的教學方式，幫助教師有效突破教學重難點，提升教師信息化教學的能力。

教師可在學生完成傳統實驗的基礎上，引導學生充分利用手機的便捷性，通過Vernier Video Physics App在課后進行自主實驗探究，對生活中常見的運動如投籃、過山車、汽車勻加速啟動階段、蹦極等場景，或習題中重要的物理模型如“板塊運動”等拍攝視頻并分析、抽象出各種運動的本質特征，在自主探究中加深對所學物理概念和規律的理解，激發學生的學習興趣和探究欲望，培養學生利用信息化手段處理物理問題的能力，從而更好地發展學生的物理學科核心素養。

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版）[S]. 北京：人民教育出版社，2018.