徐忠岳 余杰 曾裕
摘 要:Tracker軟件通過分析物理實驗視頻,追蹤研究對象的運動軌跡,以簡潔高效的數(shù)據(jù)分析手段揭示物理規(guī)律。Tracker軟件可廣泛應(yīng)用于物理演示實驗教學(xué)和學(xué)生課外研究性學(xué)習(xí),有利于豐富物理課程資源、突破教學(xué)難點、提高教學(xué)質(zhì)量。
關(guān)鍵詞:物理實驗;Tracker;視頻分析
中圖分類號:G434 文獻標(biāo)志碼:A 文章編號:1673-8454(2014)12-0075-04
一、引言
隨著生活水平的提高和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,數(shù)碼相機、手機和網(wǎng)絡(luò)攝像頭等數(shù)碼產(chǎn)品已進入尋常百姓家,而大部分上述產(chǎn)品都有視頻拍攝功能,根據(jù)需要拍攝一段視頻已是舉手之勞。由于視頻是對物理過程的真實記錄,在課堂上向?qū)W生展示生動的感性材料,相比虛擬的動畫更具表現(xiàn)力和感染力,更能充分調(diào)動學(xué)生視、聽覺感受,從而有利于活躍課堂氣氛,提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,啟迪他們的思維,加深學(xué)生對物理知識的理解,提高物理教學(xué)效果。[1]應(yīng)用視頻分析軟件可使視頻的教學(xué)功能錦上添花,其中Tracker軟件是由美國卡布里洛大學(xué)的道格拉斯.布朗教授開發(fā)并維護,可通過分析物理實驗的視頻片段,追蹤選定研究對象的運動軌跡,以簡潔高效的數(shù)據(jù)分析手段揭示物理規(guī)律,并且允許用戶建立自己的動力學(xué)或運動學(xué)模型進行模擬實驗。該軟件已經(jīng)成功用于運動學(xué)、動力學(xué)甚至是光譜分析等領(lǐng)域的教學(xué)與研究。[2]目前,該軟件在國內(nèi)尚未得到廣泛的應(yīng)用,在為數(shù)不多的公開發(fā)表的論文中,所采用的實例皆來自于Tracker軟件的開放資源庫。
二、Tracker軟件的特點
1.精確和人性化的設(shè)置方式
(1)提供了比例標(biāo)度的設(shè)置功能
為了提供真實的分析處理,Tracker軟件提供了比例標(biāo)度的設(shè)置功能。只要在視頻場景中找到一個已知尺寸的物體,將標(biāo)度移到該物體并設(shè)置好它的真實長度,在后面的視頻分析中軟件將自動按照該比例標(biāo)度將物體在屏幕上移動長度轉(zhuǎn)化為真實場景的尺寸,從而能夠還原真實的運動過程。
(2)可隨意設(shè)置坐標(biāo)原點的位置
某些軟件總是默認(rèn)視頻或照片的左上角為坐標(biāo)原點,有些軟件則總是以研究對象的初始位置為坐標(biāo)原點。比如,DIS數(shù)字化實驗系統(tǒng)是當(dāng)下比較時髦的教具,不過DIS在分析數(shù)據(jù)時總是取“接收器”所在的初始位置為坐標(biāo)軸的原點。由于坐標(biāo)原點不能改變,勢必使運動分析帶來一定的局限性。而Tracker軟件可以選擇視頻中的任意位置為坐標(biāo)軸的原點,操作非常靈活。如圖1所示,在研究簡諧運動和勻速圓周運動的關(guān)系時,我們利用固定在彈簧振子上的激光源發(fā)出的線狀激光來同步跟蹤圓盤上某一點的運動。[3]導(dǎo)入所拍攝的錄像,選擇圖中轉(zhuǎn)盤的圓心位置為坐標(biāo)軸的原點。分析所得的x-t圖、y-t圖,發(fā)現(xiàn)都為正弦曲線,證明了做勻速圓周運動的物體在圓的某一直徑或在與該直徑平行的直線上的投影做簡諧運動。
(3)可根據(jù)需要旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系、定標(biāo)尺和定標(biāo)桿
用Tracker軟件分析視頻時,可以任意調(diào)節(jié)“坐標(biāo)軸”和“定標(biāo)尺”的傾角,即使影像傾斜也不影響分析,從而降低了拍攝要求,減小了實驗誤差。如圖1,拍攝界面中的屏板略有傾斜。分析時先設(shè)置一條與屏板邊界平行的定標(biāo)尺,把鼠標(biāo)移至某一坐標(biāo)軸,按住鼠標(biāo)左鍵并緩慢轉(zhuǎn)動,直到界面顯示定標(biāo)尺與x軸的夾角為零。
2.可以應(yīng)用“濾鏡”工具實現(xiàn)頻閃效果
受教學(xué)條件的限制,頻閃實驗幾乎成了物理實驗教學(xué)中“紙上談兵”的代表。應(yīng)用“濾鏡”工具可以輕松實現(xiàn)頻閃效果。點擊“視頻→濾鏡→添加Ghost濾鏡或Dark Ghost濾鏡”。當(dāng)主體相對背景較亮?xí)r選擇前者(如圖2a),相對背景較暗時選擇后者(如圖2b)。適當(dāng)調(diào)節(jié)“軌跡陰影”和“亮度和對比度”后點擊播放,視頻每播放一幀畫面就留下一個影跡,仿佛動態(tài)演繹了一張頻閃照片的整個成像過程。整個過程可在短短幾秒鐘內(nèi)完成,大大提高了獲取“頻閃”照片的效率。
3.簡便強大的數(shù)據(jù)采集和動態(tài)分析功能
Tracker利用跟蹤視頻來建模是一種功能強大的教學(xué)新方法,它解決了過去物理教學(xué)過程中所呈現(xiàn)的視頻只能看現(xiàn)象、不能定量分析的問題。使用Tracker時不需要借助什么新型設(shè)備或?qū)I(yè)人才,就能在課堂上隨時對一段視頻進行定量或建模分析。軟件可以手動或自動跟蹤某一研究對象的位置,動態(tài)顯示并保存被跟蹤目標(biāo)的位置坐標(biāo)、速度和加速度矢量。Tracker具有數(shù)據(jù)分析工具,可定量地分析位移、速度、加速度等隨時間的變化情況,輸出所需要的數(shù)據(jù)表格或圖像,進行曲線擬合、求斜率和積分等操作。[4]
Tracker軟件還可以對視頻中在同一平面內(nèi)運動的多個物體進行同步、迅速地分析,鑒于此我們可以研究一些較為復(fù)雜的二維運動,比如驗證二維碰撞中的動量守恒。用軟件打開拍攝好的碰撞視頻,在視頻中建立直角坐標(biāo)系和對標(biāo)記距離定標(biāo)后,通過鼠標(biāo)點擊同時對兩個物體運動的位置和時間進行逐幀采集,軟件會自動計算出各點x、y方向的動量并在表格中顯示,打開“數(shù)據(jù)工具”窗口,在同一px-t圖中顯示兩物體在碰撞過程中各位置的x方向上的動量px1和px2,打開“數(shù)據(jù)創(chuàng)建工具”添加數(shù)據(jù)函數(shù)∑px=px1+px2,軟件會自動在px-t圖中畫出兩物體在x方向上的動量之和∑px隨時間變化的圖像,我們發(fā)現(xiàn)動量之和基本為一定值,即x方向上動量守恒。
三、Tracker軟件的使用
平拋運動是物理教學(xué)的重點之一,從理論上分析,其只受豎直向下重力、豎直方向上做加速度為g的勻變速運動,水平方向上應(yīng)是勻速直線運動,但從一般的生活或?qū)嶒灛F(xiàn)象中很難得出定量的結(jié)論。下面就以平拋運動為例,介紹Tracker軟件使用方法。
1. 視頻錄制
拍攝一段平拋運動的視頻,視頻背景為一塊帶有刻度的0.8×0.8m的平板。
2. 視頻導(dǎo)入和設(shè)定
啟動軟件,點擊菜單“視頻→導(dǎo)入”來加載要分析的實驗視頻。加載成功后,使用軟件內(nèi)置的播放功能對要分析的實驗視頻進行連續(xù)或逐幀播放。打開視頻剪輯設(shè)定對話框,確定要分析的視頻的起點和終點,并設(shè)定幀頻等。
3.建立坐標(biāo)
點擊顯示坐標(biāo)軸按鈕,將坐標(biāo)原點用鼠標(biāo)移動到小球起拋點。如圖3所示,如果拍攝畫面傾斜,可拖動坐標(biāo)軸中的控制點適當(dāng)旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系。為了定量分析實驗,需要設(shè)置定標(biāo)桿和定標(biāo)尺,點擊定標(biāo)工具按鈕,拖動定標(biāo)桿(或定標(biāo)尺)的兩個控制點,把兩個控制點拖到視頻畫面中已知間距的兩點上,以米為單位輸入這兩個點之間的實際距離。
4.追蹤對象
執(zhí)行“軌跡→新建→質(zhì)點”創(chuàng)建一個要研究的質(zhì)點對象。在質(zhì)點對象標(biāo)簽中選擇“自動追蹤”,系統(tǒng)會自動追蹤小球的運動軌跡?;蛘咄M按住“ctrl”和“shift”鍵逐個手動追蹤小球的位置,每追蹤一個位置,相關(guān)的運動數(shù)據(jù)就會以圖形和表格的形式在窗口的右側(cè)顯示出來。根據(jù)不同的需要,可以選擇顯示“位移-時間”、“速度-時間”、“加速度-時間”或“動能-時間”等關(guān)系圖。
5.結(jié)果分析
如圖4(左)所示,在工具欄依次點擊“視頻”、“濾鏡”添加Dark Ghost濾鏡。適當(dāng)調(diào)節(jié)“軌跡陰影”和“亮度和對比度”后點擊播放,視頻每播放一幀畫面就留下一個影跡,仿佛形成了一張動態(tài)的頻閃照片。點擊顯示/隱藏軌跡按鈕,界面中就會顯示出紅色小球的運動軌跡。如圖4(右)所示,點擊顯示/隱藏速度和加速度按鈕,顯示每個被追蹤的位置及對應(yīng)的速度和加速度矢量。點擊某個矢量圖標(biāo),窗口中會顯示出該矢量的大小、水平和豎立分量值和方向等信息,如圖4(左)所示。
如圖5所示,Tracker軟件提供了常見函數(shù)的擬合功能,把鼠標(biāo)移到窗口右側(cè)的圖表窗格中,點擊右鍵,選擇“分析”,即可進入數(shù)據(jù)分析頁面。圖5(左)為x-t圖像,擬合方程為0.9t+0.003,說明水平方向上小球做勻速直線運動,且速度恒為0.9m/s。 圖5(右)為圖像y-t, 擬合方程為y=-4.71lt,說明豎直方向上小球做初速度為零的勻加速直線運動,加速度為9.422m/s2,近似等于重力加速度。
四、Tracker軟件在教學(xué)中的應(yīng)用
1.輔助演示實驗教學(xué)
Tracker軟件可廣泛應(yīng)用于物理演示實驗教學(xué),尤其是涉及過程復(fù)雜、變化較快、需要定量分析的實驗現(xiàn)象。如圖6所示,在某些空間和時間的動態(tài)分析上,它比DIS數(shù)字化實驗系統(tǒng)更為簡捷和直觀,比如演示運動的合成與分解(即紅蠟塊實驗)、彈簧振子的運動、曲線運動的瞬時速度方向(如圖6(3)所示)、單擺和自由落體等。
2.輔助課外研究性學(xué)習(xí)
研究性學(xué)習(xí)具有開放性、探究性、實踐性的特點,通過研究性學(xué)習(xí),學(xué)生能主動地獲取知識、應(yīng)用知識并解決問題。Tracker軟件無須編程等復(fù)雜的操作,一般學(xué)生很容易掌握它的使用方法,可用來輔助學(xué)生的課外研究性學(xué)習(xí),其教學(xué)價值不容小覷。在生活和學(xué)習(xí)過程中學(xué)生會遇到或者創(chuàng)造出令他們好奇的現(xiàn)象,有時學(xué)生雖然有強烈的探究欲望,卻因無從下手而錯失良機,Tracker為他們提供了有力的研究學(xué)習(xí)工具。
(1)指導(dǎo)學(xué)生自己拍攝視頻
拍攝視頻要注意以下幾點:在拍攝時要使用三腳架固定攝像機,盡量保證相機的鏡頭與被攝平面垂直,最好用長焦距拍攝,以減小由于視角誤差和畫面變形帶來的空間長度測量誤差。為提高分析精度,拍攝幀頻盡可能高一些。拍攝過程中不能變焦和追拍,否則系統(tǒng)無法對視頻進行定標(biāo),設(shè)置的參考長度就失去了意義。研究對象和背景要有明顯的色差,以提高系統(tǒng)追蹤定位的準(zhǔn)確性。另外,光線要充足,否則會引起色彩失真,而且逐幀分析會有重影,影響追蹤定位。
(2)收集和分析網(wǎng)絡(luò)視頻
視頻可以自己拍攝,也可以從網(wǎng)絡(luò)中下載,這有助于豐富物理教學(xué)資源。我們應(yīng)該鼓勵學(xué)生收集并分析喜聞樂見的蘊含豐富物理知識的視頻。體育運動就是很好的素材庫,比如何雯娜在2008年北京奧運會蹦床比賽奪冠時的視頻、劉翔在110m欄比賽中的加速情況、游泳運動員的速度變化、冰壺的二維碰撞、跳遠(yuǎn)運動員的拋物線軌跡等等。另外國防科技領(lǐng)域的火箭、導(dǎo)彈和子彈的發(fā)射等也是令學(xué)生著迷的探究課題。
(3)案例分析——探究蹦極運動
蹦極運動涉及運動與力、勢能和動能的相互轉(zhuǎn)化等物理現(xiàn)象,極具趣味性、方法性和知識性,常被改編為各種物理試題。可把一個200克的鉤碼掛在8根相連的普通橡皮筋下面來模擬蹦極運動,橡皮筋的另一端掛在門框上面。如圖7所示,在門框邊上用雙面膠粘一把40cm的直尺作為長度標(biāo)記,再粘上兩個綠色的位置標(biāo)記a和b,分別表示橡皮筋的原長和鉤碼的受力平衡位置。
把鉤碼舉高至圖7中a點以上,松手后鉤碼即開始“蹦極”。以鉤碼的平衡位置為原點建立坐標(biāo)系。通過視頻分析可知,鉤碼依次經(jīng)歷了自由落體、加速度減小的加速運動、加速度增大的減速運動……,其運動圖像是一個以平衡位置b為對稱點的阻尼運動。從圖7中可以清楚地的看到,鉤碼向下運動到a點時,并非立即減速,而是繼續(xù)加速,到達(dá)平衡位置b點時速度達(dá)到最大值;B點以后彈力大于重力,鉤碼開始減速,直到最低點。上述形象、動態(tài)、定量的分析有利于學(xué)生全方面地分析蹦極運動,消除“物體遇到障礙物或阻力即減速”這一頑固的思維定勢。
五、結(jié)束語
視頻呈現(xiàn)了真實的物理現(xiàn)象,Tracker軟件實現(xiàn)了現(xiàn)象呈現(xiàn)與數(shù)據(jù)分析的同步,從而揭示了其中的物理規(guī)律,兩者相輔相成,突破教學(xué)難點。Tracker軟件的運用極大豐富了中學(xué)物理教學(xué)資源,有利于教師開展課堂實驗教學(xué),也有助于學(xué)生在課外進行自主的科學(xué)探究,具有很高的推廣價值。
參考文獻:
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[4]吳志山.讓真實定量、定格—Tracker軟件在物理教學(xué)中應(yīng)用[J].物理教師,2012,23(7),53-54.
(編輯:魯利瑞)