基于Tracker探究水火箭體積與發(fā)射高度的關(guān)系

吳禮晨

摘要：水火箭發(fā)射是常見的高中物理課外活動。本文介紹水火箭的制作過程，利用Tracker視頻分析軟件探究水火箭體積與發(fā)射高度的關(guān)系。

關(guān)鍵詞：水火箭;發(fā)射高度;Tracker

1 引言

水火箭是利用廢棄塑料瓶為材料，基于物理學(xué)中反沖原理，利用質(zhì)量比和氣壓作用而設(shè)計的飛行器。是中學(xué)物理中重要的時間活動案例之一[1]。水火箭的制作與發(fā)射具有寓教于樂的作用，深受廣大中學(xué)生的喜愛，通過活動，學(xué)生可以了解基本的空氣動力學(xué)知識，培養(yǎng)學(xué)生動手能力，激發(fā)學(xué)生科學(xué)探索的熱情，樹立對航天科技的熱愛。傳統(tǒng)水火箭活動側(cè)重于制作和發(fā)射。本次研究，主要探究水火箭體積與發(fā)射高度的關(guān)系。在探究中，感知科學(xué)研究過程，提高團結(jié)協(xié)作的精神，培養(yǎng)樂于探究的能力。

2 實驗準(zhǔn)備

2.1 組裝水火箭

水火箭活動受到廣大學(xué)校的歡迎，實驗器材在很多學(xué)校都已普及。本次研究過程利用學(xué)校科技文化藝術(shù)節(jié)水火箭發(fā)射后剩余材料，進行組裝。

（1）噴水嘴安裝

（2）平衡翼安裝

（3）整流罩安裝

2.2 發(fā)射架改進

成品化的發(fā)射架，發(fā)射方向可以調(diào)節(jié)，利用剎車把作為發(fā)射開關(guān)，但發(fā)射時水火箭不穩(wěn)定，發(fā)射時瓶內(nèi)氣壓無法測量。為克服這一問題，在支架上打孔，安裝4根導(dǎo)軌，穩(wěn)定火箭發(fā)射。在氣管上安裝壓力表，便于測量發(fā)射時瓶內(nèi)氣壓。

2.3 水火箭發(fā)射

（1）將組裝好的水火箭注入一定體積的水（滴入紅墨水，便于視頻處理時追蹤），確保噴嘴安裝正常，密封完好;

（2）把水火箭安裝到發(fā)射架上，鏈接打氣筒，向水火箭內(nèi)打氣;

（3）調(diào)整發(fā)射架發(fā)射角度，確保周圍無人群;

（4）待氣壓到一定值后，緊握剎車把，發(fā)射火箭。

3 高度測量

在水火箭的發(fā)射活動中，我們發(fā)現(xiàn)了許多值得探究的問題，比如水火箭的高度問題。但是高度的測量，如果用肉眼觀察，測量的數(shù)據(jù)不精準(zhǔn)。為了解決這一問題，利用Tracker視頻分析軟件，測量高度。

Tracker軟件，可以根據(jù)錄制的運動視頻片段，跟蹤研究對象的運動軌跡，不僅能測量高度，還能通過數(shù)據(jù)分析研究對象的物理規(guī)律。該軟件在運動學(xué)、動力學(xué)的研究中具有廣泛的運用。

3.1 視頻錄制

視頻錄制時需要注意：將錄像機固定在三腳架上，保持合適的距離，保證視頻畫面能完整記錄物體運動，盡量使錄像機鏡頭與拍攝畫面垂直。為了接下來的視頻處理，要設(shè)置一個長度標(biāo)尺，保證背景與拍攝物有較大背景色差，記錄前，應(yīng)打板本次測量信息。

3.2 視頻導(dǎo)入

啟動軟件，將視頻拖入或點擊“視頻→導(dǎo)入”加載視頻，視頻格式可以是mov、avi、mp4、flv、wmv或者是動畫式的gif以及一系列的jpg、png。

3.3 建立坐標(biāo)

點擊菜單“軌跡”“軸”“顯示”可以顯示參考系。鼠標(biāo)左鍵按住坐標(biāo)原點不放可以移動坐標(biāo)原點到指定位置，可以左鍵點擊坐標(biāo)軸上任一點旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)軸，建立好坐標(biāo)系之后，右鍵點擊中心方框，勾選“鎖定”選項，可以防止誤操作一定坐標(biāo)系。下一步，選擇標(biāo)準(zhǔn)長度，點擊下拉箭頭，新建定標(biāo)桿，會出現(xiàn)，將定標(biāo)桿兩端用鼠標(biāo)拉到視頻中某一標(biāo)準(zhǔn)長度的中間，如圖中窗子的寬度或長度已知，可以點擊定標(biāo)桿上的數(shù)字進行改動。同樣，定標(biāo)桿也可以鎖定。點擊下方視頻播放按鈕，可以開始播放影片，在影片合適位置，右鍵點擊進度條可以選擇需要處理視頻的起始位置和結(jié)束位置，也可以右鍵選擇“視頻剪輯設(shè)定”在彈出的對話框中直接輸入設(shè)定值，比如：起始幀，結(jié)束幀等，此時可以在播放進度條上看到兩個上三角形，分別表示起始時間與終止時間。

3.4追蹤對象

選擇菜單“軌跡”“新建”“質(zhì)點”，會出現(xiàn)質(zhì)點控制選項、運動圖和數(shù)據(jù)表，點擊質(zhì)量A，自動追蹤，鼠標(biāo)變成圈圈，可以用來圈選被追蹤的物體，可以利用圓圈右下方的正方形調(diào)整形狀與大小，使其包含物體的邊緣，要具有較高的對比和確切的形狀。

鼠標(biāo)變成紅色十字，移動紅色十字到物體的中心，設(shè)定好按下一個，可以調(diào)節(jié)對話框中的數(shù)字改變識別程度，一般使用預(yù)設(shè)值即可。

自動識別有問題的話，可以用鼠標(biāo)移動點上的十字到正確位置。數(shù)值與圓點會自動跟著變動，確定所有的點無誤的話就可以點結(jié)束。

3.5測量高度

數(shù)據(jù)的處理可以用自帶的分析工具，也可以將數(shù)據(jù)導(dǎo)出使用其他的軟件處理。

4 科學(xué)探究

4.1 實驗步驟

①選擇3個體積不同，形狀相同的水火箭，

②分別在3個水火箭注入250ml的水，保持發(fā)射架垂直，氣壓都設(shè)定為2.5MPa，分別進行發(fā)射，

③錄制發(fā)射視頻

④用Tracker軟件分析

4.2數(shù)據(jù)整理及分析

由表1可知，在保證發(fā)射角度、箭體內(nèi)水量和發(fā)射氣壓相同的情況下，箭體體積越小，水火箭發(fā)射的高度越大。水火箭體積較小，質(zhì)量也較小，小，獲得的最大發(fā)射速度大。實驗還發(fā)現(xiàn)，大水火箭運行時不穩(wěn)定，原因是箭體內(nèi)水導(dǎo)致重心更偏下。

5 結(jié)束語

影響水火箭發(fā)射高度的因素還有發(fā)射角度、箭體內(nèi)水量和發(fā)射氣壓等。實驗中還發(fā)現(xiàn)，水火箭重心、外型對發(fā)射高度也有影響。因為器材有限，對以上因素未能深入研究是文的不足之一;再有不足是實驗時，周圍環(huán)境對實驗結(jié)果存在影響，本次探究活動中未能采用多次測量求取平均值來減小影響。

核心素養(yǎng)的培養(yǎng)不僅是知識的習(xí)得與記憶，還有在物理知識的學(xué)習(xí)中，掌握運用知識處理問題的本領(lǐng)。課外實驗是對課堂實驗的補充和延伸，也是運用物理知識解決實際問題的有效途徑。課外實驗以其貼近生活實際，形式豐富多彩，趣味十足，深受學(xué)生的喜愛[2]。結(jié)合信息技術(shù)手段，開展課外實驗有助于學(xué)生開拓視野，培養(yǎng)科學(xué)思維，對提高學(xué)生探究能力、動手能力、分析解決問題能力有重要作用。

參考文獻：

[1]方紅霞.關(guān)于水火箭水平射程的實驗探究[J].物理實驗，2011，31（12）：17-19.

[2]梁上燕. 開放式實驗教學(xué)類型新探[J]. 蘭州交通大學(xué)學(xué)報，2007（05）：127-129

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