Tracker软件在高中物理实验中的应用

摘 要：本文利用Tracker软件的自动追踪功能和数据分析工具对一维碰撞的实验视频进行分析，验证了在弹性碰撞过程中系统的动量、动能守恒，在非弹性碰撞过程中系统的动量守恒。

关键词：Tracker软件；动量守恒；弹性碰撞；机械能守恒

中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148（2017）4-0074-3

1 引 言

动量守恒定律实验多数版本的高中物理教材采用气垫导轨和光电计时器，利用光电计时器测量滑块碰撞前后的速度。而本文利用Tracker软件的自动追踪功能，有效地跟踪参与一维碰撞两个滑块的运动轨迹，同步描绘滑块运动过程中的动量-时间、动能-时间图像。利用Tracker软件的数据分析工具进行统计分析滑块碰撞前后的动量、动能，从而可以验证碰撞过程中动量、动能是否守恒。

2 利用Tracker软件分析验证动量守恒定律

2.1 利用Tracker软件分析弹性碰撞实验

2.1.1 用数码相机拍摄滑块运动的视频

实验需要的器材有气垫导轨、电子天平、滑块和弹性碰撞器等。用手推动其中一个滑块与另一个静止的滑块发生碰撞，同时用数码相机拍摄两个滑块的运动过程。

2.1.2 利用Tracker软件分析滑块运动的视频

打开Tracker软件，选择菜单的“视频―导入”按钮，将视频加载，通过视频剪辑对视频研究的起始帧进行设定，并按下列基本步骤进行分析：

（1）设定参考坐标。选择“轨迹―坐标轴”，为了便于分析，在水平和竖直方向建立直角坐标系。

（2）进行参考尺寸的定标。选择定标工具对长度定标，以实验中预先测量好的长度作为参考尺寸进行定标，Tracker软件能够计算出视频中研究对象的实际运动过程。

（3）选择研究对象。实验的研究对象是滑块，选择“轨迹―新建―质点”按钮，创建质点“Mass A”代表滑块。

（4）进行轨迹控制。按住Shift + Ctrl出现1个圆圈，通过这个圆圈标示出实验选择的研究对象――滑块，在后面的视频分析中软件可以自动追踪滑块的运动过程。

（5）选择实验要测量的物理量：动量和动能，设置滑块的质量，定义动能的表达式。

（6）显示图像，依据获取的动量和动能坐标，Tracker软件绘出滑块运动的动量-时间、动能-时间图像。

当两个滑块（分别用m1、 m2表示）质量相等时，Tracker软件绘制出两滑块运动过程的动量-时间、动能-时间图像（如图1、图2、图3、图4所示）。

根据图1、2、3、4的数据统计分析，滑块在碰撞前后的动量、动能如表1所示，数据处理结果如表2所示。

当两滑块m1、m2质量不等时，Tracker软件绘出两滑块运动的动量-时间、动能-时间图像。

根据图5、6、7、8的数据统计分析，滑块在碰撞前后动量和动能如表3所示，数据处理结果如表4所示。

根据表2和表4得到，弹性碰撞过程中，在误差允许的范围内，系统的动能、动量均守恒。

2.2 利用Tracker软件分析非完全弹性碰撞实验

用2.1中的分析方法对非完全弹性碰撞的实验视频进行分析，Tracker软件描绘出滑块m1、 m2运动过程的动量-时间图像。

根据图9、10的数据统计分析，滑块在碰撞前后的动量及数据处理结果如表5所示。

根据表5得到，非完全弹性碰撞过程中，在误差允许的范围内，系统的动量守恒。

2.3 利用Tracker软件分析完全非弹性碰撞实验

用2.1中的分析方法对完全非弹性碰撞实验视频进行分析，Tracker软件描绘出滑块m1、 m2运动过程的动量-时间图像。

根据图11、12的数据统计分析，滑块在碰撞前后的动量及数据处理结果如表6所示。

根据表6得到，完全非弹性碰撞过程中，在误差允许的范围内，系统的动量守恒。

2.4 误差分析

（1）实验中存在随机误差和系统误差。

（2）滑块在运动过程中受到气垫导轨对滑块的摩擦力及空气阻力。

如果将上述因素考虑进去，实验结果的精度会进一步提高。

3 结束语

研究表明，Tracker软件可以实现现象呈现与收集数据的同步，追踪滑块运动的轨迹，对滑块运动过程的动量和动能进行数据采样，并绘制出动量-时间、动能-时间图像，在误差允许的范围内，验证了在碰撞过程中系统的动量、动能变化的规律。该方法方便、快捷、直观、高效，测定结果误差很小，有利于教师开展课堂实验教学，也有助于学生在课外进行自主的科学探究，具有很高的推广价值。

⒖嘉南祝

[1]吴志山.让真实定量、定格――Tracker软件在物理学中的应用[J].物理教师，2012，33（7）：52-54.

[2]普通高中课程标准实验教科书 物理选修3C5（第2版）[M].北京：人民教育出版社，2007：2-16.