基于 Vernier Video Physics 软件的物理实验探究

肖炳茹　冯洁　李红梅

［摘 要］智能手机的飞速发展和智能手机APP的不断更新对当今社会的各个方面都产生了深远的影响。与此同时，智能手机APP也逐渐被引入课堂教学中，为学生提供了自主学习的机会，也使物理实验教学模式发生了巨大的改变，成了广大教育者关注的热点。利用Vernier Video Physics软件和Vernier Graphical Analysis软件，再结合平抛运动实验仪，对小钢球的运动轨迹进行逐帧追踪定位，得到小钢球做平抛运动的[y-x]图像、[x-t]图像、[y-t]图像和[vy-t]图像，再对图像进行相应函数拟合，经过数据分析，得到小钢球做平抛运动在水平方向和竖直方向的运动特点。利用智能手机APP辅助高中物理实验教学可以激发学生的学习兴趣，帮助学生理解物理概念和规律，使学生积极主动地参与到实验中来，培养他们的动手能力，提升他们的实验素养。

［关键词］Vernier Video Physics软件；Vernier Graphical Analysis软件；平抛运动；视频分析；智能手机

［中图分类号］    G633.7        ［文献标识码］    A        ［文章编号］    1674-6058（2023）23-0050-05

《普通高中物理课程标准（2017年版2020年修订）》中强调：现代信息技术在获取证据、描述和解释实验数据的含义方面发挥着重要作用，应该把信息素养的提升作为科学探究能力培养的重要内容，鼓励学生利用手机等信息技术工具的便捷性去解决某些物理学习问题或解决用常规方法难以实现的疑难实验问题［1］。

平抛运动是曲线运动中比较典型的一种运动，在高中物理运动学中占据着非常重要的地位，也是学生难以理解的一种运动模型。在传统实验教学中，探究平抛运动的特点共有四种方法。（1）平抛竖落仪法，此法操作简便，可实现平抛运动的小球和自由落体运动的小球同时释放，但由于运动时间短，因此两球落地的先后顺序较难观察。（2）细水柱法，此法能保证初速度水平、水柱细，这样轨迹就易确定，但受空气阻力等的影响，水柱轨迹容易变形，长度有限，处理不方便。（3）平抛运动实验仪法，此法简单、方便，但利用复写纸确定物体运动的轨迹点，误差较大。（4）频闪照相法，在保证初速度水平的前提下，用数码照相机连续拍照，效果较为理想，图像准确，但将不同图片合一需要较复杂的计算机技术支持。

合理的实验设计应兼顾安全、成功率高、仪器简单易操作、误差小、效率高、可重复性强等。通过分析不同的方案并结合学生的特点，本实验决定利用智能手机中的视频分析软件Vernier Video Physics和数据分析软件Vernier Graphical Analysis，再结合平抛运动实验仪进行探究。针对传统的实验案例，采用新的实验方法，不仅能够激发学生的学习动机，还能提高教学效率。

一、软件介绍和软件操作步骤

（一）软件介绍

Vernier Video Physics和Vernier Graphical Analysis两款智能手机软件都是由Vernier Software& Technology公司开发的。其中Vernier Video Physics是一款具有视频分析功能的软件［2］。运用智能手机录制一段物体运动的视频，将录制好的视频导入Vernier Video Physics软件中，对需要研究的物体进行自动或手动的追踪定位，通过软件就能把物体的运动轨迹清晰地呈现出来［3］。Vernier Graphical Analysis是一款具有数据分析功能的软件。将在Vernier Video Physics软件中得到的物体运动轨迹的图像导入Vernier Graphical Analysis软件中，就可以得到物体运动的[x-t]图像和[v-t]图像，还可以根据实际情况在软件中对图像进行函数拟合，方便分析和研究；点击功能按钮就可以得到物体运动的数据表，可以从中提取需要的数据进行研究。这款软件对Vernier Video Physics软件具有辅助作用，能进一步分析出物体的运动规律。

总之，运用智能手机中的视频分析软件和数据分析软件进行实验探究，不仅能让学生直观地看到物体运动的轨迹，体会对物理现象进行真实探究的乐趣，还能完成传感器无法进行的探究实验，比如投篮运动等。除此之外，学生还可以随时随地对物体运动的视频进行分析，从图像中就可以直观地看出物体运动的规律。

（二）软件操作步骤

1.把需要分析的视频导入手机软件中

首先，利用智能手机把物体的运动过程录制下来，然后打开 Vernier Video Physics软件，点击“Choose Existing”功能按钮，再将录制好的需要分析的物体运动视频导入Vernier Video Physics软件中。此次实验以导入小钢球做平抛运动的视频（如图1）为例。

2.对物体运动的画面定标和创建坐标轴

首先，在视频分析软件中对运动对象进行定标和创建坐标轴，通过逐帧追踪后得到物体的运动轨迹图，再将物体的运动轨迹图以文件的形式导入Vernier Graphical Analysis软件中就可以得到物体速度和位移随时间变化的图像。本实验以直径为2 cm的小钢球为对象进行定标，点击“Origin& Scale”按钮，拖动两个比例尺定位圆，使之定位在小钢球直径的两端，再输入小钢球的实际尺寸（0.02 m），并将小钢球的抛出点设置为坐标原点，向右为正方向（如图2）。除此之外，还可以根据物体运动的实际情况旋转坐标系的方位。

坐标系建好后，可單击缩放按钮将缩放圆的十字中心手动拖动到对象的中心，然后单击对象中心以标记对象当时的位置，再移动定位对象的比例圆，并跟踪对象的移动，以便准确追踪物体的运动轨迹。最后单击“轨迹”按钮，对小钢球的运动轨迹进行逐帧追踪（如图3）。

3.图像分析及拟合

实验中，可使用Vernier Video Physics软件收集物体运动过程中的数据，并将数据存储在手机文件中［6］。打开软件，单击右上角的图像按钮，可以获得对象移动的[y-x]图像、[x-t]图像、[y-t]图像和[vy-t]图像，就能从中分析物体的运动规律。以直径为2 cm的小钢球做平抛运动为例，小钢球运动的[y-x]图像如图4所示，[x-t]图像、[y-t]图像和[vy-t]图像如图5所示。

打开Vernier Graphical Analysis软件，点击“选择文件”按钮，将之前保存在手机文件中的实验数据导入其中，就可以得到物体在水平方向和竖直方向的[x-t]图像和[v-t]图像［6］；点击右上角的功能按钮，就会显示数据表，能直接从数据表中获取必要的数据，既方便又快捷。除此之外，软件还能根据实际情况，拟合需要分析的图像对应的函数。

二、探究平抛运动实验的特点

（一）实验器材和装置

安装有Vernier Video Physics软件和Vernier Graphical Analysis软件的智能手机、直径为2 cm的小钢球、手机支架、平抛运动实验仪。

（二）进行实验和记录数据

1.探究平抛运动在竖直方向上的运动特点

首先，把平抛运动实验仪上的水准泡调整至水平仪的中间，使整个实验仪器与桌面保持水平；其次，将平抛运动实验仪接通电源，打开开关，把小钢球吸在上轨道的电磁铁处，让小钢球处于静止状态；最后，关闭电磁铁的控制开关，让小钢球脱离轨道做平抛运动，对小钢球的运动轨迹进行分析。这个过程可进行多次实验并记录函数表达式，函数表达式如表1所示。

以直径为2 cm的小钢球第一次做平抛运动的[y-x]图像、[y-t]图像、[vy-t]图像拟合为例，拟合结果如图6、图7、图8所示。

由图6经过二次函数拟合后的[y-x]图像可以看出小钢球的运动轨迹是一条抛物线，其抛物线函数为[y=-92.8x2+0.0796x-0.0001466]，可以从中直观地看出平抛运动的轨迹。

由图7经过二次函数拟合后的[y-t]图像可以看出小钢球在竖直方向上的[y-t]图像是一条抛物线，拟合后的抛物线函数为[y=-4.992t2-0.4882t+0.06939]，其中，一次项系数[b]与常数项[c]不为零的原因是坐标原点没有严格地选取为小钢球平抛运动的抛出点。根据自由落体运动规律h=½gt2，可知小钢球在竖直方向[g=4.992×2 m/s2=9.984 m/s2]，得到小钢球在竖直方向上做自由落体运动。

由图8经过一次函数拟合后的[vy-t]图像可以看出小钢球在竖直方向上的[vy-t]图像是一条倾斜的直线，拟合后的一次函数为[vy=-9.899t-0.4135]，常数项 [b]不为零的原因是坐标原点没有严格地选取为小钢球平抛运动的抛出点。同理，根据自由落体运动规律[vy=gt]，可知小钢球在竖直方向[g=9.899 m/s2]，这与图7小钢球做平抛运动的[y-t]图像分析结果相符，得到小钢球在竖直方向上做自由落体运动。

以当地重力加速度的理论值为[9.8 m/s2]为例，由自由落体运动规律得出表1中[y-t]函数的[g]值的相对误差为1.88%～3.51%，[vy-t]函数的[g]值的相对误差为1.01%～2.65%。因此由表1数据可以得出结论：做平抛运动的小钢球在竖直方向的分运动为自由落体运动［5］。

2.探究平抛运动在水平方向上的运动特点

首先，把平抛运动实验仪上的水准泡调整至水平仪的中间，使整个实验仪器与桌面保持水平；其次，使小钢球下落高度、初始位置相同，让小钢球从同一位置、同一高度脱离轨道做平抛运动，对小钢球的运动轨迹进行分析，在表格中记录下一次函数拟合后的[x-t]函数表达式；再次，保持初始位置相同，多次改变小钢球下落的高度，让小钢球从同一位置、不同高度做平抛运动，对小钢球的运动轨迹进行分析，在表格中记录下一次函数拟合后的[x-t]函数表达式；最后，保持下落高度相同，多次改变小钢球下落的初始位置，让小钢球从不同位置、同一高度做平抛运动，对小钢球的运动轨迹进行分析，在表格中记录下一次函数拟合后的[x-t]函数表达式。重复上述步骤，进行多次实验，记录的函数表达式如表2所示。

以直径为2 cm的小钢球从同一位置、同一高度脱离轨道第一次做平抛运动的[x-t]图像的拟合为例，拟合结果如图9所示。

由图9经过一次函数拟合后的[x-t]图像可以看出小钢球在水平方向上的[x-t]图像是一条倾斜的直线，拟合后的一次函数为[x=2.597t-0.03741]，常数项[b]不为零的原因是坐标原点没有严格地选取为小钢球平抛运动的抛出点，根据匀速直线运动规律[s=vt]，可知小钢球在沿[x]轴方向即水平方向上做速度为[2.597 m/s]的匀速直线运动［4］。

进行了多次实验后对[x-t]图像进行一次函数拟合，得到了如表2所示的[x-t]函数表达式。从表2中可以直观地看出，在小钢球做平抛运动时，无论是“使小钢球下落高度和初始位置相同”“初始位置相同，多次改变小钢球下落高度”，还是“下落高度相同，多次改变小钢球下落的初始位置”，其在水平方向上运动的[x-t]图像都满足匀速直线运动的规律。因此根据匀速直线运动的规律可以得出结论：做平抛运动的小钢球在水平方向的分运动为匀速直线运动。

（三）实验注意事项

在实验过程中应该注意以下几点：

（1）實验前应先把平抛运动实验仪上的水准泡调整至水平仪的中间，使整个实验仪器与桌面保持水平。

（2）实验中必须调整斜槽末端的切线水平，调整方法是将小球放在斜槽末端水平部分，若小球静止，则斜槽末端水平。

（3）小钢球每次必须从斜槽上同一位置滚下。

（4）先用手机支架固定好手机，再进行录像，以保证视频画面的稳定性。

（5）在录制视频的过程中可以选择慢动作录制，避免小球在视频中形成重影，影响标记。

（6）在录制视频时应先点击“开始录制”按钮，再断开电磁铁的控制开关。

（7）应进行多次重复实验，以减小实验误差。

（四）分析总结

由以上两个探究实验可以得出结论：平抛运动在竖直方向的分运动为自由落体运动，在水平方向的分运动为匀速直线运动。利用智能手机中的软件Vernier Video Physics和Vernier Graphical Analysis来探究平抛运动的特点，不仅可以加深学生对平抛运动规律的理解，强化学生对函数图像知识的运用，还能让学生体会到运用数学知识解释物理现象的乐趣。在传统的实验教学中采用新的实验方法，能够改变学生“做实验不如讲实验，讲实验不如背实验”的荒谬想法。

总之，智能手机具有一定的开放性和实用性，不仅能够用来获取信息咨讯，而且可以进行物理实验、记录数据，对物体的运动轨迹进行分析。而且智能手机有很强的便携性，不仅能随身携带，而且不受时间和空间的限制，能很好地满足学生学习物理知识和获取信息的需要。把智能手机中的视频分析软件Vernier Video Physics和数据分析软件Vernier Graphical Analysis相结合进行实验，能够完成一些传感器无法完成的实验，例如跟踪飞行中的篮球和投掷出去的铅球等。这些软件还具有分析快速且易于重复观察的特点，因此学生能够立即对所收集的数据进行分析，从而进行批判性思考。

总之，以智能手机APP辅助高中物理实验教学是数字化教育发展的必然要求。物理实验在高中阶段具有较强的实践性和应用性，同时也是高考考查的重要内容。将智能手机APP融入物理实验教学中，能够改变传统的实验教学现状，能够活跃教师和学生设计实验方案的思路，能够提高学生的实验操作能力。同时，智能手机APP在物理实验中的使用，不仅能够让实验现象可视化，而且还能为学生在课后开展自主探究實验提供平台。

［   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年版2020年修订［M］.北京：人民教育出版社，2020.

［2］  周勇，樊青远.Vernier视频分析软件在物理教学中的应用［J］.中学物理教学参考，2018（24）：44-45.

［3］  唐佳钰，郑渊方，张德培.手机Vernier Video Physics App在物理实验探究中的应用［J］.中学理科园地，2021（6）：75-77.

［4］  李基正，谢曾珍，叶泽波，等.基于Vernier Video Physics软件研究抛体运动［J］.实验教学与仪器，2022（4）：48-50.

［5］  李悦童，叶文佳，张轶炳.利用二维运动传感器探究平抛运动特点的实验设计［J］.物理通报，2023（3）：101-106.

［6］  肖炳茹，肖朝晖，李红梅.基于Vernier Video Physics软件的物理实验探究：以“探究影响单摆周期的因素”为例［J］.中学物理，2022（17）：46-49.

（责任编辑 易志毅）