利用“时空定格”记录运动轨迹增强实验可视化

连彬星 李明哲

（1.福建师范大学平潭附属中学，福建 福州 350400；2.福建师范大学附属中学，福建 福州 350000）

1 引言

运动学是高中物理学的基础，匀变速运动、抛体运动、曲线运动、圆周运动等都是教学的重难点.［1］高中学生对于有些运动缺乏直接体验，感觉抽象，理解不深刻.物体到底做什么运动？只有理论的讲解明显是不够的，增强运动过程可视化的重要性不言而喻.在课堂中直观展示物体的运动轨迹能够吸引学生参与课堂观察，使学生获得形象、直观、真实的认知体验，不仅能提高物理实验演示效果还能促进学生科学思维的发展.［2］

在当前的物理教学中，打点计时器、频闪照相、视频慢动作是3种较为常见的记录物体运动轨迹的方法，现对比如下（见表1）.

表1

以上3种是物理教学中常用的留迹方法，优缺点明显.笔者找到另一种只需要手机，可同时看到不同时刻物体的运动位置，操作简单的留迹方法——“时空定格”.此方法记录物体间隔相等时间的实际运动照片，可同时看到不同时刻的运动位置，适用于大部分物体运动.以下介绍“免ROOT自动化助手”和“Snapseed”两款软件，依次使用可产生“时空定格”效果，能直观展示物体的运动轨迹.该方法可在物理课堂中进行实时操作展示，不仅节约时间成本，还大大增强物体运动的可视化效果.

2 软件介绍与实践

2.1 利用“免ROOT自动化助手”软件实现间隔相同时间拍照

图2

图3

图4

图5

图6

图7

图8

以上步骤可在教学开始前设置好，教学过程中可连接希沃白板现场展示自动拍照过程.

2.2 利用“Snapseed”软件叠加照片实现时空定格

①手机下载软件“Snapseed”（图标 如图9）.打开系 统自动间隔相同时间拍好的照片（如图10以红蜡块在水中上升为例），点击工具，选择双重曝光（如图11）.

图1

图9

图10

图11

② 再添加下一张照片，点击工具，选择双重曝光，调暗（如图12）.即可实现两张照片叠加.重复操作，可得到一系列照片的叠加（如图13）.

图12

图13

本方法的优势：物理课堂教学中，手机投屏后可现场操作向学生展示，把间隔相同时间的照片进行叠加，实现“时空定格”，物体运动轨迹一目了然，学生可直观感受到物体的运动情况.以图13为例，此方法可真实记录下红蜡块在水中上升时的运动轨迹，发现相同的时间间隔，蜡块向上运动距离几乎相等，红蜡块在这段过程中向上做匀速直线运动.不仅增加实验现象的可视化，还能绕过相对抽象的受力分析，直击物体运动的性质.本方法大大节约时间成本，仪器简单，操作方便，现场效果好.

3 在物理教学中的应用

在高中物理教学中，笔者发现“时空定格”效果还能在很多地方得到应用.现举例如下.

（1）测量瞬时速度与加速度：设定好相等的间隔时间，在背景处放一刻度尺，从叠加的照片中测量得到相邻物体的位移大小.通过平均速度法得到物体在某一时刻的瞬时速度大小，根据邻差法或逐差法可以计算得到物体加速度大小.

（2）运动合成与分解：两个分运动为匀速直线运动（电动机匀速拉动透明管向右运动，蜡块在水中匀速上升），蜡块实际的运动即合运动的轨迹是什么样的（如图14），实际做什么运动？观察后发现合运动也为匀速直线运动.再比如一个分运动为匀速直线运动（蜡块在水中匀速上升），另一个分运动为加速直线运动（透明管向右加速运动），蜡块合运动的轨迹是什么样的？（如图15所示）观察后发现合运动为曲线运动.

图14

图15

（3）平抛运动两个方向上的运动性质：利用平抛演示仪（如图16所示），间隔相同时间拍摄平抛运动与水平匀速直线运动的照片，叠加后发现同一时刻两球都运动到同一水平位置，可得到平抛运动在水平方向的运动为匀速直线运动.同理也可得到竖直方向的运动性质为自由落体.

图16

（4）弹簧振子和单摆运动：照片叠加后对比相同时间经过的位移大小，可得到经过平衡位置附近位移较大，速度较大.

（5）横波的传播：从叠加后的照片中，可观察波的传播情况，测量波长并计算波速.

4 总结反思

本文介绍了一种由“免ROOT自动化助手”于相同的时间间隔获得物体的照片，通过软件“Snapseed”对照片进行双重曝光叠加，记录下物体运动轨迹，实现时空定格的方法.该方法可实时直观演示物体的运动过程，不仅能解决常规方法在教学中遇到的问题，又能提升抽象运动的可视化效果，进一步提升教学效果和学生对运动性质的理解.［3］此方法很好地展示了物理教学与现代信息技术的融合，对提高课堂教学效果具有积极意义.