探究小球二维碰撞动量守恒的方法与比较.doc

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1、探究小球二维碰撞动量守恒的方法与比较【摘要】目前中学物理教学与实验一般只涉及两小球在直线上的碰撞，二维碰撞运动是新内容。笔者运用文献研究法和实验方法，分别利用数码相机的“连拍合成技术”“高速连拍技术”和“摄像技术”对两球斜碰过程进行图形获取、图像处理、数据分析，分析总结得出尽量减小验证二维动量守恒实验误差的技术方法，以便增强课程的科学性、可操作性与趣味性，进而提升学生的探究能力。【关键词】视频分析法；数码相机；二维动量守恒；拍摄技术；误差【中图分类号】G434【文献标识码】B【论文编号】1671-7384(2015)01-0073-

2、03在人教版高中物理选修3-5《动量守恒定律》一章中，教师用滑块在气垫导轨上的直线运动演示“验证动量守恒定律”的实验，这个实验研究的是一维碰撞动量守恒，但实际生活屮更多的是二维或是三维的斜碰，如台球的碰撞、保龄球的碰撞、微观粒子的碰撞和天体的碰撞等［1］。二维或二维运动是大学物理实验教学中的重要内容［2］,在现有的普通物理实验教学中，一般只涉及两小球在直线上的碰撞，二维碰撞运动是新内容。利用视频分析法探究小球“二维碰撞动量守恒”既有利于学生对动量守恒物理知识的完整理解，又有利于学生掌握利用多媒体技术及基本的数字化研究方法。本论文分别

3、利用“连拍合成技术”“高速连拍技术”和“摄像技术”三种技术对小球二维碰撞动量守恒进行探究实验。实验准备1•实验工具与软件：CASIO(EX-FH1OO)数码相机、计算机、三脚架、光滑的玻璃平面、水平仪、两个颜色不同大小质量相同的直径为25mm的小球、Mr.captor频闪截屏软件、儿何画板等。2•实验环境与条件：在进行实验Z前要保证平面和相机水平，玻璃曲尽量光滑使摩擦力减少到最小。这里我们用到水平仪分别对相机与平面进行校准,如图1和图2O图1相机水平校准图2平面水平校准实验过程用数码相机的“连拍合成技术”“高速连拍技术”“摄像技术”

4、结合频闪截屏软件与儿何画板软件，分别对两球斜碰过程进行图形获取、图像处理、数据分析。1•连拍合成技术(1)图像获取通过相机的BS功能键进入到情景模式区，选定“连拍影像合成”，如图3。图3连拍影像合成拍摄的时候，相机会以5弓K/秒的连拍速度捕捉一个连贯的动作。两个颜色不同、大小质量相同的玻璃球作为研究对象，在光滑平面上，让绿色小球碰撞蓝色小球，拍摄小球的二维碰撞过程，获得连拍合成图像，如图4所示。图4连拍合成图片（2）图像处理%1将图片粘贴到“几何画板”中，利用“点工具”将图片中的绿色小球和蓝色小球分别用绿色圆点和蓝色圆点表示出来。%

5、1点击工具栏中的自定义工具项目，选择圆工具中过三点的圆（虚线），如图5所示。选择图片屮圆表血的任意三点，软件就能将小球圆心标识出来。图5过三点的圆示意图%1选择移动箭头，鼠标移动到圆上点击鼠标右键，会出现如图6所示的对话框,选择隐藏圆。圆框消失后,将鼠标移动到圆表面的三个点，点击右键，选择隐藏点，依次将三点全部隐藏，最终圆心就能确定了。图6隐藏圆示意图%1选中各点点击“度量”菜单中的“横坐标”“纵坐标”就可以显示小球所在位置的坐标值，再点击“显示”菜单中的“隐藏照片”。图像处理结果如图7所示。图7连拍合成技术图像处理结果（3）数据分

6、析选定各点坐标再点击“数据”菜单中的“制表”，可以得到横纵坐标的表格。由于玻璃板光滑，可以认为小球近似做匀速直线运动，速度可以通过得到，其中。经过计算算得在x方向动量误差为9.7%,在y方向动量误差为4.9%,平均误差为7.3%。在误差允许的范围内，小球二维碰撞过程的动量守恒得到验证。（4）注意事项此相机的连拍速度是5张/秒，如果物体运动速度太快，相机合成效果不明显；物体运动速度太慢，画面重叠，所以在做实验前要了解相机的连拍速度，以便对小球运动的速度合理控制。2.高速连拍技术按连拍（HS）按钮，如图8所示，将连拍速度设置为40fps

7、,最多连拍幅数设定为30,预先记录连拍设置为0.3s。半按快门钮，进行预先记录拍摄，等到理想拍摄时机时，完全按下快门钮，拍摄想要的图片。两个颜色不同、大小质量相同的玻璃球作为研究对彖，在光滑平面让绿球碰撞静止的蓝球，连拍小球的二维碰撞过程，然后通过儿何画板对图像进行拼接处理。图8连拍按钮光滑平面连拍：绿球碰撞静止的蓝球，如图9所示。图9光滑平面高速连拍图片图像处理与数据分析步骤与连拍合成技术相同，最后算得误差平均值为3.5%03•视频频闪截屏技术在拍摄方式中，将动画方式旋钮转至（HD/STD）,选择高速动画（HS）,按动画按钮开始拍

8、摄，分别在光滑平面让蓝球碰撞静止的绿球和非光滑平面让蓝球与绿球互撞，碰撞完成示，再按动画按钮结束拍摄。然示用频闪截屏软件Mr.Captor对拍摄的视频进行频闪截屏，点击“选项”菜单屮“参数”命令，将弹出参数窗体，在“定时/视频”中设置