软件Logger pro3.15在高中物理教学中的应用*——以“平抛运动”为例

郭兴华

(南京市第一中学 江苏 南京 210001)

1 引言

平抛运动是高中物理课程中一节重要的规律课，也是学生学习的第一个曲线运动.人教版教材中提供了3个参考方案来研究平抛运动.第一个方案是利用描绘小球平抛运动轨迹的实验装置.第二个方案是利用水柱法描点并绘制平抛运动轨迹.第三个方案是利用数码相机的连拍功能分析图片.但是第一个方案存在多次释放钢球，确定钢球运动轨迹不准确等因素，而且绘制轨迹需要较长时间才能完成.第二个方案存在水压影响初速度大小，会导致实验误差增大.第三个方案需要用到连拍及图像叠加处理等技术，且成本较高.以上3种方法都无法直接、快捷地得到平抛运动的数据和图像.

2 利用Logger pro3.15软件研究平抛运动

2.1 Logger pro3.15分析软件

Logger pro3.15软件是美国威尼尔公司开发的一款数据收集和处理的软件.利用该软件，就可以直接将视频收集的空间数据转换到软件上显示，通过影像分析动态跟踪物体运动的轨迹，从而得到物体运动的位移、速度和加速度.它解决了以前物理教学过程中呈现的视频只能观察现象，不能定量计算的问题.它无需硬件设备，方便易用，支持avi, mp4,mov,mpeg等多种常见视频格式，用普通手机拍摄即可.Logger pro3.15软件提供了各种坐标设置，可以沿不同角度建立直角坐标系，极大地方便了物理研究.为了真实地还原实际运动场景，Logger pro3.15软件还提供了标度设定功能.只要在视频场景中选定一个物体，将标度尺移至该物体设置真实长度，在软件处理数据时就会自动按照设定的标度比例测量物体的运动尺寸.

2.2 实验设计与测量

物体以一定的初速度水平抛出，如果物体只受重力，这样的运动叫做平抛运动.平抛运动的物体在水平方向做匀速直线运动

x=v0t

(1)

在竖直方向做自由落体运动

(2)

但从一般的生活体验和实验现象中便能直接得出结论.利用Logger pro3.15软件，我们可以选取一段平抛运动的视频来定量分析，帮助学生探究其中的规律.视频可以让学生提前拍摄或是从网络上选取，这样可以提高学生学习的主动性，激发学生学习物理的兴趣.

2.2.1 运动轨迹的采集与描绘

打开Logger pro3.15软件后，导入已经录制好的视频.通过视频剪辑对视频研究的起始帧进行设定.建立直角坐标系，为了便于分析，在水平和竖直方向建立直角坐标系.并根据视频中的标尺设定标度比例,如图1所示.选择研究对象为小钢球，并用质点代替它.

图1 设定标度比例

用鼠标逐帧追踪小球的运动轨迹，我们会得到一系列的轨迹点.从采集的点可以看出小球运动经过的位置，如图2所示，我们可以看到物体的轨迹呈抛物线形状.

图2 物体的运动轨迹曲线

2.2.2 数据的处理与分析

软件将自动记录小球在x轴与y轴上随时间变化的位置坐标与数据，如图3所示.

图3 软件自动记录的小球位置坐标与数据

利用图像拟合绘制出小球运动的x-t与y-t图像，如图4所示.由x-t图像是直线，我们可以看出在水平方向小球做匀速直线运动.由斜率可以得到水平运动的初速度为0.80 m/s.y-t图像进行二次函数拟合，由此可以得出拟合曲线方程为

y=-4.912t2+3.215t-0.528 8

从而证明竖直方向的运动为自由落体运动.将拟合方程及其参数值与式(2)相比较,可得出物体的加速度值g=2A=9.82 m/s2.通过查阅资料，南京的重力加速度为9.79 m/s2.这两者进行比较，相对误差为0.3%.

图4 图像拟合得到的小球运动曲线

可见，使用Logger pro3.15可以比较便捷、准确地研究平抛运动.产生误差的原因可能是空气阻力的影响、拍摄角度的影响或是取点位置不够准确等.

3 结束语

Logger pro3.15作为一种通过影像分析物体运动参数的工具，有许多传统实验不可比拟的优势.它相比传统的实验装置更便捷、直观且误差更小.相比DIS数字化实验系统和频闪照相设备，成本更低。通过视频分析，使平抛运动的整个教学过程可视化，不仅有利于培养学生的视觉思维，而且有利于提高学生的实验观察和数据处理能力.同时，该软件突破了时间和空间的限制，学生可以自由选择自己感兴趣的运动进行研究，拓展了学习的宽度和深度，也是解决学校实验器材不足的有效方法.在一定程度上能改善“讲实验”“背实验”的状况.该软件可以在网上免费下载，获得途径便捷，且无编程等复杂操作，学生很容易掌握它的使用方法.

但在进行物理实验视频分析的过程中，我们仍然应该注意以下几个方面：

(1)Logger pro3.15软件虽然可以播放一些实验视频并能进行分析，但并不能代替实验，真实的实验具有视频无法替代的临场感和亲历体验，软件分析应该在真实的实验之后再进行教学辅助.

(2)视频虽然来源于真实的拍摄，但由于场景较远、拍摄角度等，设置长度时难免有误差，所以在分析结果时应考虑误差因素，有些视频也只能作半定量分析.

本文一方面期望能为Logger pro3.15的使用者提供相关参考，更好地辅助物理课程教学.另一方面期待Logger pro3.15的开发者可以将其进一步完善，助推信息技术与物理教学的高效融合.