利用Tracker软件探究小球在竖直圆形轨道内的运动规律

实验场景

近日，微主在焦作十一中创客空间做了“利用Tracker软件探究小球在竖直圆形轨道内的运动规律”的创新实验，初步了解Tracker软件的使用方法，为以后利用Tracker软件分析实验视频积累了经验。

在新冠疫情防控的闲暇，微主摆好竖直圆形轨道，架好手机，调整好角度，让手机的拍摄方向尽可能与竖直轨道面垂直。

测量轨道内直径

在实验开始之前，需要先测量出离心轨道的内直径，这个测量值要作为Tracker软件分析数据时的长度标尺。在本次实验中，竖直圆形轨道的内直径为12.5cm。

一切就绪之后，多次改变小球释放的高度，使小球恰好能经过竖直圆形轨道的最高点，并记下该初始位置。

使手机进入录像状态，将小球从前述位置释放，拍摄下小球在竖直圆形轨道内的运动过程。

数据采集

录像结束后，将视频导入Tracker软件，以小球经过轨道最低点时的位置为坐标原点，建立坐标系，设置好长度标尺。

随后，逐帧对小球球心进行定位。由于背景杂乱，Tracker很难自动跟踪获取小球在每一个时刻的位置，需要逐帧进行手工定位。值得庆幸的是，这段时间很短，逐帧手工定位并不复杂。

数据采集完毕之后，系统就自动绘制出了指定的关系图像。通过选择图像横、纵坐标轴表示的物理量，可以在各种函数关系图像之间进行切换。

轨迹图

在轨迹图中，可以测量出小球在竖直圆形轨道内做圆周运动时的球心轨迹直径为9.972cm。

需要指出的是，刻度尺测量出来的竖直圆形轨道的内直径只能作为长度标尺使用，而不能当做小球圆周运动的直径。

速度时间图像

在速度时间图像中，可以观察小球速度随时间的变化关系。实测发现，小球经过轨道最高点时的速度为0.653m/s。

加速度时间图像

在加速度时间图像中，可以观察小球加速度随时间的变化关系。实测发现，小球经过轨道最高点时的加速度为10.34m/s^2。

显然，小球并不是以临界速度经过最高点的，小球与轨道之间存在一个很小的压力。

在本次实验中，小球恰好经过竖直圆形轨道最高点时的速度的理论值为0.69m/s，实测速度为0.653m/s，相对误差为5.4%。

| 创客焦作 | 

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