应用视频分析方法探究小球沿斜面运动的加速度

2013-02-22梁婷项华聂榕罗乐

物理教师 2013年5期

梁婷项华聂榕罗乐

（1.北京师范大学物理学系，北京 100875；2.成都石室天府中学，四川成都 610041）

近年来，中学物理课堂中出现了多种利用打点计时器、位移传感器、光电门测量加速度的实验，但这些实验只能在学校实验室完成，而且分析计算复杂，不够简单化和生活化.笔者在实践的基础上总结了一种基于视频分析法的测量加速度的实验，以期广大教师和学生能够举一反三，开发出更多集趣味、简单、生活为一体的物理视频分析实验案例.

1 频闪截屏技术概述

视频分析方法主要包括获取视频（或者照片）数据、筛选（视频或照片）数据、借助软件发现数据关联（知识）以及交流知识价值等4个环节.［1］文献［1］中介绍了一种利用数码相机拍摄的方式获取视频（或者照片）数据的方法，然后用QQ影音等视频播放器逐帧播放，从而实现精细观察.这里将介绍另外一种方法——频闪截屏技术来进行精细观察或者定量研究.

所谓频闪截屏技术就是利用频闪截屏软件（比如Mr.Captor软件）将数码影像每间隔一段时间截取一张频闪图片，再通过图片处理软件将频闪图片拼接成一张图册，最后借助几何画板、Excel等数据挖掘软件在图册上探究科学规律.［2］这种方法具有成本低、操作快捷，较易与现有设备衔接、应用领域广泛等特点.笔者将利用电脑摄像头、Mr.Captor截屏软件、小刚球、卷尺探究小球沿斜面的运动规律.

2 探究小球沿斜面的运动规律

实验准备.电脑摄像头、计算机、小刚球、卷尺、Mr.Captor频闪截屏软件、几何画板、Excel软件等.

实验过程.

（1）获取视频（或者照片）.

频闪图片既可以采用频闪截屏法实时捕获，也可以采用视频逐帧播放法获取.这里采用Mr.Captor软件获取频闪图片.Mr.Captor软件的使用方法如图1所示，通过点击“选项”菜单中“参数”命令，会弹出参数窗体，在“定时／视频”中可以设置频闪周期和保存路径等参数，所捕获的图片将被自动地保存在所选定的文件夹内.

图1

利用卷尺搭建一个带刻度的斜面（可利用书、笔等手边物件踮起卷尺的一端），实验时，将小钢球放在斜面上端，点击“选项”菜单中“参数”命令，将弹出参数窗体，在“定时／视频”中的“间隔（0.01s）：”设置为“10”，即将频闪周期设为0.1s，再在“路径：”中设定图片的保存路径.捕获频闪数据时需要首先在屏幕上选定方形捕获区域，点击“”按钮选定区域，如图2所示.

图2

再点击鼠标右键，在弹出的菜单中选取“开始定时捕捉”命令，释放小球，小球以一定加速度滑下，于是所捕捉的图片被记录在相应的文件夹中并被自动编号如图3所示.这样就完成了获取图片数据的过程.

图3

（2）筛选视频（或者照片）.

利用上述方法得到的频闪图片中，每张图片记录了物体在某一时刻的位置信息，将无用图片删除（即去除不含小球的图片），对于一维运动来说，把剩下的有用图片导入ACDsee，批量旋转90°，选中所有照片，在工具栏“创建”中选中“创建联系表”，调整图片间距为0，即拼接合成为一张图像，设置输出路径，保存该图像.该图像组成了小球运动的位移－时间图像（如图4），每一竖条表示间隔0.1s以后小球的位置.

图4

（3）借助软件发现数据关联（知识）.

利用几何画板和Excel相结合的方式来分析图片，既简化了测量，也省去了繁复的笔头计算.

将图4粘帖在几何画板中，选中左侧工具栏中的画“点”工具，在小球的位置点“点”，如图5所示.

图5

再用几何画板中的度量工具测量点的位移，如图6所示.

图6

最后，用制表工具把小球位移制成表格，再将表格数据复制到Excel中，拟合得到小球运动的数学规律，如图7所示.

图7

（4）交流与讨论.

利用这种视频分析方法研究中学物理中加速度的的测量等相关问题，与传统利用打点计时器和位移传感器的实验相比，具有如下特点（见表1）.

表1

这种频闪截屏技术的误差主要来源于：（1）由于钢尺表面不平整，小球在运动时会出现左右晃动而造成测量误差；（2）在几何画板上画点时不一定画到了球的中心而造成的测量误差.

采用频闪截屏技术的视频分析方法，不仅能够以0.05s的时间间隔拍摄频闪照片，还能够以10min甚至1h的时间间隔拍摄频闪照片.这样就既可以应用于探究高速运动（比如研究自由落体运动），也可以用来探究历时较长的运动（比如液体的扩散，太阳高度角的变化），还可以方便地运用于其他学科的教学，比如观察花朵的开放和化学反应的速率等.

利用生活中常用设备和非专业软件测量生活中抽象的加速度，降低了数据探究的难度，增加了数据探究的自由度和趣味性.