利用“時(shí)空定格”記錄運(yùn)動(dòng)軌跡增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)可視化

連彬星 李明哲

（1.福建師范大學(xué)平潭附屬中學(xué)，福建 福州 350400；2.福建師范大學(xué)附屬中學(xué)，福建 福州 350000）

1 引言

運(yùn)動(dòng)學(xué)是高中物理學(xué)的基礎(chǔ)，勻變速運(yùn)動(dòng)、拋體運(yùn)動(dòng)、曲線運(yùn)動(dòng)、圓周運(yùn)動(dòng)等都是教學(xué)的重難點(diǎn).［1］高中學(xué)生對(duì)于有些運(yùn)動(dòng)缺乏直接體驗(yàn)，感覺(jué)抽象，理解不深刻.物體到底做什么運(yùn)動(dòng)？只有理論的講解明顯是不夠的，增強(qiáng)運(yùn)動(dòng)過(guò)程可視化的重要性不言而喻.在課堂中直觀展示物體的運(yùn)動(dòng)軌跡能夠吸引學(xué)生參與課堂觀察，使學(xué)生獲得形象、直觀、真實(shí)的認(rèn)知體驗(yàn)，不僅能提高物理實(shí)驗(yàn)演示效果還能促進(jìn)學(xué)生科學(xué)思維的發(fā)展.［2］

在當(dāng)前的物理教學(xué)中，打點(diǎn)計(jì)時(shí)器、頻閃照相、視頻慢動(dòng)作是3種較為常見(jiàn)的記錄物體運(yùn)動(dòng)軌跡的方法，現(xiàn)對(duì)比如下（見(jiàn)表1）.

表1

以上3種是物理教學(xué)中常用的留跡方法，優(yōu)缺點(diǎn)明顯.筆者找到另一種只需要手機(jī)，可同時(shí)看到不同時(shí)刻物體的運(yùn)動(dòng)位置，操作簡(jiǎn)單的留跡方法——“時(shí)空定格”.此方法記錄物體間隔相等時(shí)間的實(shí)際運(yùn)動(dòng)照片，可同時(shí)看到不同時(shí)刻的運(yùn)動(dòng)位置，適用于大部分物體運(yùn)動(dòng).以下介紹“免ROOT自動(dòng)化助手”和“Snapseed”兩款軟件，依次使用可產(chǎn)生“時(shí)空定格”效果，能直觀展示物體的運(yùn)動(dòng)軌跡.該方法可在物理課堂中進(jìn)行實(shí)時(shí)操作展示，不僅節(jié)約時(shí)間成本，還大大增強(qiáng)物體運(yùn)動(dòng)的可視化效果.

2 軟件介紹與實(shí)踐

2.1 利用“免ROOT自動(dòng)化助手”軟件實(shí)現(xiàn)間隔相同時(shí)間拍照

圖2

圖3

圖4

圖5

圖6

圖7

圖8

以上步驟可在教學(xué)開(kāi)始前設(shè)置好，教學(xué)過(guò)程中可連接希沃白板現(xiàn)場(chǎng)展示自動(dòng)拍照過(guò)程.

2.2 利用“Snapseed”軟件疊加照片實(shí)現(xiàn)時(shí)空定格

①手機(jī)下載軟件“Snapseed”（圖標(biāo) 如圖9）.打開(kāi)系 統(tǒng)自動(dòng)間隔相同時(shí)間拍好的照片（如圖10以紅蠟塊在水中上升為例），點(diǎn)擊工具，選擇雙重曝光（如圖11）.

圖1

圖9

圖10

圖11

② 再添加下一張照片，點(diǎn)擊工具，選擇雙重曝光，調(diào)暗（如圖12）.即可實(shí)現(xiàn)兩張照片疊加.重復(fù)操作，可得到一系列照片的疊加（如圖13）.

圖12

圖13

本方法的優(yōu)勢(shì)：物理課堂教學(xué)中，手機(jī)投屏后可現(xiàn)場(chǎng)操作向?qū)W生展示，把間隔相同時(shí)間的照片進(jìn)行疊加，實(shí)現(xiàn)“時(shí)空定格”，物體運(yùn)動(dòng)軌跡一目了然，學(xué)生可直觀感受到物體的運(yùn)動(dòng)情況.以圖13為例，此方法可真實(shí)記錄下紅蠟塊在水中上升時(shí)的運(yùn)動(dòng)軌跡，發(fā)現(xiàn)相同的時(shí)間間隔，蠟塊向上運(yùn)動(dòng)距離幾乎相等，紅蠟塊在這段過(guò)程中向上做勻速直線運(yùn)動(dòng).不僅增加實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的可視化，還能繞過(guò)相對(duì)抽象的受力分析，直擊物體運(yùn)動(dòng)的性質(zhì).本方法大大節(jié)約時(shí)間成本，儀器簡(jiǎn)單，操作方便，現(xiàn)場(chǎng)效果好.

3 在物理教學(xué)中的應(yīng)用

在高中物理教學(xué)中，筆者發(fā)現(xiàn)“時(shí)空定格”效果還能在很多地方得到應(yīng)用.現(xiàn)舉例如下.

（1）測(cè)量瞬時(shí)速度與加速度：設(shè)定好相等的間隔時(shí)間，在背景處放一刻度尺，從疊加的照片中測(cè)量得到相鄰物體的位移大小.通過(guò)平均速度法得到物體在某一時(shí)刻的瞬時(shí)速度大小，根據(jù)鄰差法或逐差法可以計(jì)算得到物體加速度大小.

（2）運(yùn)動(dòng)合成與分解：兩個(gè)分運(yùn)動(dòng)為勻速直線運(yùn)動(dòng)（電動(dòng)機(jī)勻速拉動(dòng)透明管向右運(yùn)動(dòng)，蠟塊在水中勻速上升），蠟塊實(shí)際的運(yùn)動(dòng)即合運(yùn)動(dòng)的軌跡是什么樣的（如圖14），實(shí)際做什么運(yùn)動(dòng)？觀察后發(fā)現(xiàn)合運(yùn)動(dòng)也為勻速直線運(yùn)動(dòng).再比如一個(gè)分運(yùn)動(dòng)為勻速直線運(yùn)動(dòng)（蠟塊在水中勻速上升），另一個(gè)分運(yùn)動(dòng)為加速直線運(yùn)動(dòng)（透明管向右加速運(yùn)動(dòng)），蠟塊合運(yùn)動(dòng)的軌跡是什么樣的？（如圖15所示）觀察后發(fā)現(xiàn)合運(yùn)動(dòng)為曲線運(yùn)動(dòng).

圖14

圖15

（3）平拋運(yùn)動(dòng)兩個(gè)方向上的運(yùn)動(dòng)性質(zhì)：利用平拋演示儀（如圖16所示），間隔相同時(shí)間拍攝平拋運(yùn)動(dòng)與水平勻速直線運(yùn)動(dòng)的照片，疊加后發(fā)現(xiàn)同一時(shí)刻兩球都運(yùn)動(dòng)到同一水平位置，可得到平拋運(yùn)動(dòng)在水平方向的運(yùn)動(dòng)為勻速直線運(yùn)動(dòng).同理也可得到豎直方向的運(yùn)動(dòng)性質(zhì)為自由落體.

圖16

（4）彈簧振子和單擺運(yùn)動(dòng)：照片疊加后對(duì)比相同時(shí)間經(jīng)過(guò)的位移大小，可得到經(jīng)過(guò)平衡位置附近位移較大，速度較大.

（5）橫波的傳播：從疊加后的照片中，可觀察波的傳播情況，測(cè)量波長(zhǎng)并計(jì)算波速.

4 總結(jié)反思

本文介紹了一種由“免ROOT自動(dòng)化助手”于相同的時(shí)間間隔獲得物體的照片，通過(guò)軟件“Snapseed”對(duì)照片進(jìn)行雙重曝光疊加，記錄下物體運(yùn)動(dòng)軌跡，實(shí)現(xiàn)時(shí)空定格的方法.該方法可實(shí)時(shí)直觀演示物體的運(yùn)動(dòng)過(guò)程，不僅能解決常規(guī)方法在教學(xué)中遇到的問(wèn)題，又能提升抽象運(yùn)動(dòng)的可視化效果，進(jìn)一步提升教學(xué)效果和學(xué)生對(duì)運(yùn)動(dòng)性質(zhì)的理解.［3］此方法很好地展示了物理教學(xué)與現(xiàn)代信息技術(shù)的融合，對(duì)提高課堂教學(xué)效果具有積極意義.