基于手机Vernier Video Physics 的物理实验教学研究

丁彦龙　马广平　袁世明

摘 要：将智能手机的APP功能应用于中学物理教学实践，已成为教师激发学生学习兴趣和培养学生动手能力的新途径.利用Vernier Video Physics 研究了小车的匀加速直线运动和匀减速直线运动，得到了运动的轨迹图以及小车运动的x-t、v-t图象.实际生活中最常见的投篮过程中篮球的运动，作为二维斜抛运动的特例，得到了篮球运动的轨迹图以及两个方向上的x-t、v-t图象.通过对图象的分析提高学生对这些运动的深刻认识，解决了传统教学中学生很难理解为什么将曲线运动分解为两个直线运动的问题，使得教学更具可视化.将现代化教学设备应用到课堂教学，提高学生处理、分析图象的能力，体现了核心素养对高中物理教学的基本要求.

关键词：智能手机;Vernier Video Physics ;实验教学研究

文章编号：1008-4134（2019）19-0063中图分类号：G633.7文献标识码：B

作者简介：丁彦龙（1987-），男，四川成都人，碩士，中学一级教师，研究方向：物理教学与研究;

马广平（1984-），女，四川成都人，硕士，研究方向：教育学;

袁世明（1964-），男，四川成都人，本科，中学特级教师，研究方向：中学物理教学研究.

1 引言

物理学是一门以实验为基础的科学，实验探究是高中物理核心素养的重要组成部分，高中物理中很多概念的建立，规律的探索与应用都与实验探究密不可分[1].

随着智能手机和移动互联技术的快速发展，手机传感器、手机APP作为新兴技术，开拓了物理实验教学的新思路.一些难于测量、不便观察、效果不明显的难题得到了很好解决，同时提升了课堂教学中学生的体验感和创新意识[2].《普通高中物理课程标准（2017版）》编写的人教版教材，为了更好地体现时代特色、发展学生综合素养，在教材中增加了智能手机测量物理量的新实验方案，让学生在感性上体会智能手机在物理实验中发挥的作用[3].

对运动的认识与研究一直都是高中物理教学的重点，利用智能手机APP研究运动开创了高中物理实验教学的新思路，目前还未见利用Vernier Video Physics研究运动的相关报道.本文介绍了该APP的具体实验操作，在此基础上研究了匀加速直线运动和匀减速直线运动及实际生活中最常见的投篮过程中篮球的运动.

2 Vernier Video Physics功能简介

Vernier Video Physics的工作界面如图1所示，它具有自动化的对象跟踪和视频分析功能，可以捕捉运动物体的视频，然后点击自动跟踪，可以为对象创建轨迹，得到运动对象的x-t、v-t图象，高中物理教学中的各种运动、实际生活中的运动例如投篮球、过山车、荡秋千等都可以研究.

具体操作步骤：首先，使用手机相机捕捉物理运动的视频，从照片库中选择一个视频，对研究对象自动或手动添加点到视频帧;其次，为对象设置视频的比例，设置坐标系;最后，查看轨迹图以及物体运动的x-t、v-t图象，并结合导出来的数据进行分析.

3 利用Vernier Video Physics开展实验探究

用手机拍摄小车运动的视频，打开Vernier Video Physics APP并将视频添加进来，选择研究对象，用对象跟踪的point 选中小车，如图2（a）所示.以小车的出发点作为原点，建立直角坐标系，如图2（b）所示，小车将在钩码的拉力作用下做匀加速直线运动.

点击Track，跟踪小车的运动轨迹，小车的运动轨迹图如图3（a）所示.点击Graphs，查看运动的x-t、v-t图象如图3（b）所示，从x-t图象可以看出图象是一条抛物线，代表小车做匀加速直线运动，从图象上可以得到小车在不同时刻的位置，从v-t图象也可以看出小车沿水平方向上做匀加速直线运动，v-t图象是一条倾斜的直线，通过计算图线的斜率可以得到小车运动的加速度.

用同样的方法，给小车一个初速度，小车在摩擦力的作用下做匀减速直线运动，同样可以得到小车运动的轨迹图如图4（a）所示，点击Graphs，查看运动的x-t、v-t图象如图4（b）所示，通过图象可以看出，x-t图象是一个开口向下的抛物线，图线的斜率在减小，说明物体的速度在减小，v-t图象更清晰的显示小车做匀减速直线运动，然后静止.

用手机拍摄同学投篮的视频，打开Vernier Video Physics APP并将视频添加进来，并选择研究对象，用对象跟踪的point 选中篮球，如图5（a）所示.以篮球的出发点作为原点，建立直角坐标系，如图5（b）所示，篮球在空中做的是斜抛运动，建立了水平方向和竖直方向的坐标系就意味着将斜抛运动分解到水平方向和竖直方向去研究.

点击Track，跟踪篮球的运动轨迹，得到轨迹图如图6（a）所示.点击Graphs，查看两个方向上运动的x-t、v-t图象，水平方向的图象如图6（b）所示，从x-t图象可以看出图象是一条倾斜的直线，代表篮球在水平方向上做匀速直线运动，从图象上可以得到篮球在不同时刻的位置，图象的斜率代表篮球做匀速直线运动的速度，从水平方向v-t图象也可以看出篮球在水平方向上做匀速直线运动.竖直方向上的图象如图6（c）所示，x-t图象是一条抛物线，代表竖直方向做匀变速直线运动，v-t图象是一条倾斜的直线，正半轴的图象说明篮球做匀减速直线运动，即物体在竖直方向先向上做匀减速直线运动，一直减速到零;负半轴图象说明篮球做反向的匀加速直线运动.所以，篮球做的斜抛运动可以分解为水平方向的匀速直线运动和竖直方向的竖直上抛运动.

研究物体运动一直是高中物理教学的重点，传统的教学中是根据物体的受力情况，根据牛顿运动定律得到加速度，或者利用打点计时器来计算小车在某时刻的速度和加速度，学生在理解这种思想的过程中缺乏直观的体验，有些甚至记住这种处理方法，这样不利于培养学生的观察能力和探索精神.运用上述实验手段，可以研究实际生活中的复杂运动，通过实际的操作，不仅增加直观体验，而且可视性强.通过学生分析图象，提高学生认识图象的能力，并将实验与理论相结合，让学生体验科学探究的一般过程，在科学探究中提升核心素养.

4 结束语

智能手机的快速发展助推了教育技术的革新，正改变着广大教师教育教学的手段与思路.不同地区、不同学校可能因为条件限制不能装备全新的数字化实验室（如DISlab数字化实验室）.这些基于智能手机平台的技术使得每个教育工作者都可以根据实际需要创新实验、改进教育教学方式[1].除了智能手机APP，还有手机传感器，智能手机物理虚拟实验室，手机制作微课的APP“微课宝”、Course maker等.随着5G技术的实现，智能手机在教学中的应用将会更加广泛，以智能手机为代表的移动终端将会引领教育教学的发展潮流.

参考文献：

[1] 丁彦龙，马广平，付静. 基于手机加速度传感器的高中物理实验教学探索[J]. 中学物理， 2019，37（9）：30-32.

[2] 刘玲. 如何使用DIS数字化实验系统和APP开发学生实验[J]. 物理教学， 2018（9）：29-30.

[3] 邹丽晖. 基于手机传感器的物理实验教学研究[J]. 中学物理，2019，37（9）：28-30.

（收稿日期：2019-07-19）