手机Vernier Video Physics App在物理实验探究中的应用

唐佳钰 郑渊方 张德培

摘   要：信息技术与物理教学的融合是当今物理教育的热点。利用手机Vernier Video Physics App研究自由落体运动和单摆运动，对小球进行逐帧追踪定位，实时创建出小球做自由落体运动及单摆运动的相关运动图像并进行数据拟合，简便、高效、直观地揭示物体运动规律，促进学生对物理概念和规律的理解，为教师辅助传统实验教学及学生课外自主探究提供了有力工具。

关键词：Vernier Video Physics;视频分析;实验探究

1  引言

随着科技的迅猛发展，信息技术早已与我们的生产生活密不可分。《普通高中物理课程标准（2017版）》在教学建议中提出，要“重视科学探究能力的培养和信息技术的应用：要设计各种学习活动让学生利用信息技术提升物理学习能力，例如利用手机等信息技术工具便捷地解决某些物理学习问题。”[ 1 ]，在当今时代背景下，信息技术已逐步走进物理课堂，利用手机传感器、手机视频分析App等新兴信息技术工具能够便捷地解决物理实验中的一些问题，从而改进物理教学效果，更好地發展学生物理学科核心素养。

Vernier Video Physics是Vernier Software&Technology公司开发的一款手机视频分析App，该App利用手机拍摄物体运动的视频，通过对视频画面的定标，对研究对象进行逐帧的自动或手动追踪定位，实时创建出物体运动轨迹曲线图及物体在x、y方向的位移和速度随时间变化的图像，同时可根据需要将数据进行拟合得到速度、加速度等物理量。Vernier Video Physics App以手机为载体，能够随时随地在手机上完成拍摄物体运动视频并直接量化分析的一体化操作。它以简便的操作步骤，高效直观地揭示物体运动背后所隐藏的物理规律，且具有数据精确和成本低易于推广等优势，为研究二维运动学提供了极大的便利。同时信息化的实验方式有利于激发学生的探究欲望，拓展学生视野，培养学生运用信息化手段处理物理问题的能力，提升学生的科学探究水平。本文主要以自由落体运动和单摆运动为例，介绍手机Vernier Video Physics App在物理实验探究中的应用。

2  利用Vernier Video Physics进行物理实验探究

2.1  探究自由落体运动

利用Vernier Video Physics探究自由落体运动具体分为以下几个方面。

（1）实验器材

安装有Vernier Video Physics的手机、小钢球、三脚架。

（2）视频拍摄

使用智能手机拍摄一段小钢球做自由落体运动的视频（帧率为60fps）。拍摄时需注意几个事项：第一，应使用三脚架固定手机以保持拍摄画面的稳定性，且镜头轴向应与小钢球运动平面垂直;第二，选取与小钢球颜色对比度较高的白色墙面作为背景，有利于后续对物体的自动追踪;第三，为保证录制的运动视频中物体不产生“拖影”，可在录制时将拍摄帧率调高，同时增加手机摄像头的快门速度，一般快门速度为1/500 s左右即可使每帧画面中的物体清晰不“拖影”，从而更易于后续的定位分析。

（3）软件操作步骤

①导入视频

将拍摄好的视频导入到Vernier Video Physics中，对视频进行剪辑以获取所需的运动分析片段。

②对视频画面进行定标和设置坐标轴

使用已知尺寸的物体来设置视频画面与真实场景的缩放比例。在本次实验中选取小钢球的直径（2 cm）作为标尺，如图1所示，点击“Origin&Scale”，将定标尺的两端分别置于小钢球的直径两端，并将直径（0.02 m）输入框中;为了便于研究，我们将坐标轴的原点移动至小钢球的球心处，建立坐标轴。坐标轴还可根据不同实验的需要来调整角度。

③逐帧追踪研究对象

点击“Points”，将追踪圆环的十字准心移动至球心处，点击圆心来标记此时位置。移动缩放滑块以更改追踪圆环的大小使其恰好包裹住小钢球，点击“Track”，软件将自动追踪小球的位置。如图2所示，标记了小球在运动过程中的每一帧位置的一系列点迹呈现于画面中，可在一定程度上代替频闪图。

④图像分析及拟合

数据采集完毕后，点击右上角的图表标志，查看小钢球做自由落体运动的y-t图像及v-t图像如图3所示。由图像可以看出，小钢球在竖直方向上的位移随时间变化的图像为抛物线;在误差允许的范围内，小钢球做的是初速度为零，速度均匀增大的匀加速直线运动。

利用数据分析软件，对图像进行进一步的拟合分析，计算出小钢球做自由落体运动时重力加速度。将数据直接导入至同公司开发的Vernier Graphical Analysis App中，对小钢球的y-t图像进行二次方程式拟合，如图4所示，得到拟合方程为y=-5.077t2-0.0307t（常数项忽略不计）。对二次项系数取绝对值a'=5.077 m/s2，结合匀加速直线运动的一般公式：y=v0t+■at2，对比可得物体下落时的加速度a=2a'=10.154 m/s2，相比于重力加速度的理论值g=9.8 m/s2，相对误差为3.61%。

对v-t图像进行线性拟合，如图5所示，得到的拟合方程为v=-9.749t-0.09984，r=-0.999，说明线性拟合效果较好。拟合方程斜率为-9.749，可得物体下落时的加速度为9.749 m/s2，与重力加速度理论值的相对误差仅为0.52%。

课堂上还可多次分析其他例如橡皮、硬币、木球等物体的运动视频，引导学生发现这些物体下落时的加速度都大致相等，从而可在此基础上引入重力加速度的概念。通过Vernier Video Physics视频分析，使学生基于真实世界的运动视频自主构建对自由落体运动概念和规律的理解，直观揭示了自由落体运动的运动规律：初速度为零的匀加速直线运动，重力加速度为9.8 m/s2。

2.2  探究单摆运动

利用Vernier Video Physics探究单摆运动在视频拍摄与软件操作的过程同上文探究自由落体运动大致类似，因此在这里仅做简要说明。在摆角<5°，摆长l=61 cm的条件下，录制一段摆球摆动的视频并导入软件中，将坐标原点设置于摆球球心的平衡位置处，y轴与摆线重合。依次对画面进行定标、自动追踪后，得到摆球的运动点迹如图6所示，摆球的x-t、v-t图像如图7所示。

由x-t图像容易看出，摆球的运动符合简谐运动的规律。由v-t图像可知擺球在平衡位置处速度最大，在位移最大处速度最小。在传统教学中将单摆的回复力写成F=-kx的形式来证明单摆做的是简谐运动，该种理论方法不够直观，而利用Vernier Video Physics分析得到的x-t图像则直观证明了单摆做的是简谐运动，同时与v-t图像结合亦容易看出摆球在特殊位置处速度与位移之间的关系。在教学中将理论方法与视频分析技术得到的运动图像相结合分析，有利于促进学生对单摆简谐运动规律的直观认识与理解。

对单摆的x-t图像进行正弦拟合，得到拟合后的简谐振动方程式如图8所示，x=0.03562 sin（4.018t+6.152）（常数项忽略不计），ω=4.018 rad/s，计算得周期T=■≈1.564 s。由单摆的周期公式T=2π■得g=■=9.845 m/s2，与重力加速度理论值的相对误差为0.46%。利用Vernier Video Physics逐帧定位摆球位置，较为精确地计算出单摆周期，使计算得到的重力加速度误差较小。

实验中还可利用控制变量法，多次改变摆长，探究单摆周期与摆长的定量关系;多次改变摆球质量或摆角，分别探究单摆周期与摆球质量或摆角的关系。

3  结语

利用手机Vernier Video Physics App进行物理实验探究，对研究对象进行逐帧追踪定位，实时创建物体运动图像并对其进行量化分析，简便、高效、直观地揭示了物体运动规律，在一定程度上减小了实验误差，且成本低，易推广，是辅助传统实验探究的重要手段。对于学生而言，软件的应用使学生能够基于来源于真实世界的视频自主构建对物理知识的理解，帮助学生在头脑中形成直观的物理模型和物理过程，促进学生对物理概念和规律的理解;对于教师而言，软件的应用为中学物理教师提供一种新型、有效的教学方式，帮助教师有效突破教学重难点，提升教师信息化教学的能力。

教师可在学生完成传统实验的基础上，引导学生充分利用手机的便捷性，通过Vernier Video Physics App在课后进行自主实验探究，对生活中常见的运动如投篮、过山车、汽车匀加速启动阶段、蹦极等场景，或习题中重要的物理模型如“板块运动”等拍摄视频并分析、抽象出各种运动的本质特征，在自主探究中加深对所学物理概念和规律的理解，激发学生的学习兴趣和探究欲望，培养学生利用信息化手段处理物理问题的能力，从而更好地发展学生的物理学科核心素养。

参考文献：

[1]中华人民共和国教育部. 普通高中物理课程标准（2017版）[S]. 北京：人民教育出版社，2018.