Воронкін О.С. Застосування засобів відеаналізу у викладанні фізики

1. Олексій Сергійович Воронкін,
кандидат педагогічних наук

2. П Л А Н Р О Б О Т И
1. Інструмент відеоаналізу та моделювання Tracker
1.1. Спектроскопія з використанням Tracker
1.2. Вчимо механіку за допомогою Tracker
Робота 1. Плоский рух матеріальної точки по траєкторії, яка є колом
Робота 2. Вектори швидкості та прискорення
Робота 3. Побудова циклоїди
Робота 4. Рух м’яча, кинутого під кутом до горизонту
Робота 5. Визначення періоду коливань математичного маятника.
Визначення прискорення вільного падіння за допомогою математичного маятника
Робота 6. Рівноприскорений рух без початкової швидкості
Робота 7. Дослідження руху тіла під дією сили тяжіння
Робота 8. Опір повітря як причина падіння різних тіл з різним прискоренням
2. Методичні рекомендації
3. Як зробити відеозапис, щоб при його обробці отримати найбільш точні результати?
4. Застосування фільтрів до відео

3. 1. Інструмент відеоаналізу та моделювання
Tracker
Для роботи на комп'ютері попередньо мають бути
встановлені QuickTime
(https://support.apple.com/kb/DL837?locale=ru_RU) та
Java (https://java.com/ru/download).
Tracker (ver. 4.11.0) можемо завантажити за адресою
https://physlets.org/tracker
Додаткове обладнання:
1. Відеокамера (смартфон)
2. Штатив

5. 1.1. Спектроскопія з використанням Tracker
Схема запропонована Douglas Brown
Each light source was placed behind a vertical
slit at a distance of 1.5±0.5m from a holographic
grating (Project Star) as shown in Figure. Red
and green HeNe laser beams were reflected
from a small tab protruding below the slit.
The video camcorder was placed immediately
behind the grating, aimed at the firstorder
maximum for λ=545±5nm, and zoomed to cover
the range 310±5nm to 780±5nm. The sharpest
images were obtained by orienting the grating
perpendicular to the optical axis of the camera,
not that of the source. Live or recorded
Dvencoded video was captured via FireWire
using Ulead Video Studio software and saved in
QuickTime format (though any video capture
utility could be used that saves videos in
QuickTime or AVI format).
https://physlets.org/tracker/download/AAPT_spectroscopy_poster.pdf

6. Shift+ Click Shift+ Click
gas_Hg_spectrum

7. Встановлюємо calibration points (543.5 nm і 632.8 nm)

8. Shift+drag

9. 1.2. Вчимо механіку за допомогою Tracker
Відеоаналіз - дослідження руху довільного об'єкта, зафіксованого в процесі
відеозйомки. Відеофрагмент є джерелом кількісних даних про рух об'єкта.
Відеокамера має встигати реєструвати руху об'єкта покадрово (співвідношення
кількості кадрів камери і швидкості руху аналізованої точки об’єкта).
Масштабування. Щоб отримати фізичні характеристики руху,
зафіксовані у відеофрагменті, необхідно задати в кадрі відстань між реальними
об'єктами (точками). Це легко зробити, якщо під час зйомки в кадрі знаходиться
предмет, розмір якого відомий (наприклад, лінійка).
Встановлення початку відліку і координатних осей. Початок координат
можемо перенести у будь-яку точку кадру. Після цього можна орієнтувати осі
координат відповідно до практичної задачі.
Старт і стоп кадри. Перед початком відеоаналізу обов'язково потрібно вибрати
необхідну ділянку на відео за допомогою старт і стоп кадрів. Програмі потрібно
вказати на досліджуваний об'єкт, який має бути контрастним.

10. відбувається за гармонічним законом
Робота 1. Плоский рух матеріальної точки по
траєкторії, яка є колом
двигун поворотного столу мікрохвильовки

11. https://youtu.be/vABoikb3F50
Відео доступно за адресою:
Побудова графіків руху

12. Робота 2. Вектори швидкості та прискорення у
різних точках треку під час повертання
радіокерованої машинки
Відео доступно за адресою:
https://youtu.be/kOZmWsON8aM

13. Зіткнення машин
Відео доступно за адресою:
https://youtu.be/Ly2ZLmEsxlw

14. Вектори
швидкості
та прискорення

15. Робота 3. Побудова циклоїди
Відео доступно за адресою: https://youtu.be/tQhjNBdl-io

16. https://en.wikipedia.org/wiki/Cycloid

17. Робота 4. Рух м’яча, кинутого під кутом до горизонту

18. Відео доступно за адресою:
https://youtu.be/X1oyHekIkY4

19.  Обробка результатів вимірювання (графіки руху, графіки швидкості і
прискорення та ін.).
 Апроксимація отриманих кривих. Учень може добирати коефіцієнти
апроксимуючої функції із певних міркувань.

20. https://www.europhysicsnews.org/articles/epn/pdf/2016/0
3/epn2016473p13.pdf

21. 1 м
𝑇 = 2 ∙ 3,14
1
9,81
= 2,005 с ≈ 2 с
Робота 5. Визначення періоду коливань математичного
маятника
Відео доступно за адресою:
https://youtu.be/kb5v--cWPcM

22. 𝑇 = 2 с

23. Осучаснення лабораторної роботи: “Визначення
прискорення вільного падіння за допомогою
математичного маятника”
 Мета: Виготовити математичний маятник і з його допомогою визначити
прискорення вільного падіння в даному місці Землі

24. Осучаснення лабораторної роботи: “Визначення
прискорення тіла при рівноприскореному русі”
 Мета: обчислити прискорення, з яким рухається кулька по похилому жолобу.
Робота 6. Рівноприскорений рух без початкової
швидкості

25. Графік залежності координати х кульки від часу t
Відео доступно за адресою: https://youtu.be/ZI2mmPSCzLs
l=1 м

26.  Мета: виміряти початкову швидкість, надану тілу в горизонтальному напрямку, під
час його руху під дією сили тяжіння
Робота 7. Дослідження руху тіла під дією сили тяжіння
𝜗𝑐ер = 𝑙𝑐ер
𝑔
2ℎ
𝑙𝑐ер =
𝑙1 + 𝑙2 + 𝑙3
3

27. 𝜗 = 𝑙
𝑔
2ℎ
Відео доступно за адресою: https://youtu.be/gmIk0jtlXTM
h=76,0 cм
l=x=46,1 см
№ 1

28. № 2
h=76,0 cм
l=x=52,5 см
https://youtu.be/sssYKDQh7L0

29. № 3
https://youtu.be/oS-Vdkmi8Co

30. №
досліду
h, м l, м lсер, м υ0 сер, м/с
1 0,76 0,46 0,49 1,30
2 0,52
3 0,48
𝜗𝑐ер = 𝑙𝑐ер
𝑔
2ℎ
=0,49•
9,81
2•0,76
≈1,30 м/c
Розрахунок початкової швидкості, наданої тілу в горизонтальному
напрямку, під час його руху під дією сили тяжіння

31. Робота 8. Опір повітря як причина падіння
різних тіл з різним прискоренням
 На відміну від вакууму, в повітряному середовищі різні
тіла падають з різним прискоренням. Це дозволяє учням
зробити висновок, що опір повітря є цьому причиною.
 Розглянемо 2 м’яча, що вільно падають з висоти 1 метр без
початкової швидкості.

32. Відео доступно за адресою:
https://youtu.be/S2TfofGkSLI
№ 1

33. Рух м’яча описується рівнянням
де h0 – початкова координата м'яча,
g – прискорення м'яча, t – час руху.
За графіком залежності висоти падаючого м'яча від часу можемо знайти
його прискорення.

34. № 2
https://youtu.be/xeeBLY0RuzI

35. Рух м’яча описується рівнянням
де h0 – початкова координата м'яча,
g – прискорення м'яча, t – час руху.
За графіком залежності висоти падаючого м'яча від часу можемо знайти
його прискорення.

36. 2. Методичні рекомендації
 1. Частота кадрів та вимірювання часу. Після
того, як відеoфайл завантажено до Tracker треба
перевірити чи правильно програма визначила
частоту кадрів, якщо ні – виправити це вручну
(Tracker має правильно вимірювати проміжки
часу).
 Для відкриття меню введення частоти кадрів
потрібно натиснути на опцію “Clip settings” у
верхній лівій частині екрана (піктограма
кінострічки). Після натискання кнопки відкриється
вікно введення інформації. До відповідного поля
можево ввести цей параметр зйомки. Частоту
кадрів можна подивитися в налаштуваннях
відеокамери (16 кадрів/с, 24 кадрів/с, 30 кадрів/с і
так далі), або у властивостях відеофайлу.

37.  2. Калібрувальна лінійка. Для того, щоб Tracker правильно вимірював
відстані на відеозапису, необхідно задати масштаб. Для цього під час зйомки
в кадрі рекомендовано розмістити предмет відомих розмірів (наприклад,
лінійку) так щоб він був найбільш близько до площини зйомки.
 Для введення масштабу слід натиснути на піктограму масштабу на верхній
панелі та обрати пункт “calibration stick”. З'явиться масштабний відрізок і
поле для введення відстані в сантиметрах. Разом з цим відобразиться
“calibration стіск А” - широка кнопка з символом калібрувальної лінійки у
верхньому лівому куті, натуснувши на яку можемо змінювати
налаштування. Наприклад, зробити калібрувальну лінійку прозорою
(параметр “Visible”) або заблокувати її від випадкової зміни положення
(параметр “Locked”).

38.  3. Координатні осі. Обов'язково задаємо положення та напрям координатних
осей.
 4. Матеріальна точка, вектор, центр мас. Для того, щоб вимірювати
величини на відеозаписі, слід створити один з віртуальних об'єктів
(матеріальну точку, вектор, центр мас, лінію тощо). Меню вибору можемо
відкрити, натиснувши на кнопку "Create".
 5. Після того, як віртуальну матеріальну точку (“Point of Mass”) створено,
можемо задати її положення на кадрі – тобто прив’язати до реальної точки.
Якщо задача вимагає розрахування сил, що діють на точку під час руху, слід
вказати її масу. Однак для визначення кінематичних характеристик руху
(координати, швидкості і прискорення в кожен момент часу) вказувати масу
точки не доцільно. Задати відповідне значення можемо в меню управління
параметрами точки (розділ “Define”), яке відкривається після натискання на
відповідний символ точки.

39.  6. Трекінг. Ми можемо задати кілька матеріальних точок одночасно (це
знадобиться при дослідженні характеристик руху декількох тіл). Далі нам
необхідно вказати положення точки покадрово. Це можна зробити автоматично
або вручну. Ручний режим викликається кнопкою "Mark by Default", після чого
позначається положення точки на кожному кадрі відео лівою кнопкою миші.
Кадр після кожної такої позначки автоматично перемикається на наступний. Ми
використовували в розглянутих прикладах автоматичний покадровий пошук
“об'єкта” (опція "Autotrack"). Застосування Autotrack'у припускає неточності, які
після опрацювання можемо зкорегувати.
 7. Результати вимірювання. Після початку “трекінгу” результати заносяться до
таблиці та відзначаються точками на відповідному графіку в правій частині
екрану. За замовчуванням на графіку представлена залежність горизонтальної
координати х від часу t. Ми можемо змінити ці величини, натиснувши на
відповідні кнопки - символи "x" і "t". Разом з цим відкриється меню, де зможемо
обрати іншу величину, яку б хотіли відобразити. Кількість представлених
графіків можна змінювати, натискаючи на відповідну опцію “Plot”.

40. 3. ЯК ЗРОБИТИ ВІДЕОЗАПИС, ЩОБ ПРИ ЙОГО ОБРОБЦІ
ОТРИМАТИ НАЙБІЛЬШ ТОЧНІ РЕЗУЛЬТАТИ?
 Нерухоме положення камери відносно землі (рекомендовано застосовувати штатив). В
окремих випадках, якщо запис робиться, наприклад, з салону автомобіля або прозорої
кабіни ліфта, потрібно стежити за тим, щоб умови експерименту (швидкість руху,
прискорення) залишалися незмінними протягом запису відео.
 Відстань від камери до досліджуваного об'єкта повинна залишатися незмінною. У
зв'язку з цим краще розташовувати камеру подалі від об'єкта і досягати потрібного
масштабу зйомки за рахунок оптичного збільшення камери.
 Лінійка для масштабування (об'єкт з відомими розмірами) на відеозапису має бути
помітною. Для того, щоб функція автоматичного трекінгу “autostep” працювала
коректно, слід стежити за тим, щоб об'єктконтрастував з фоном. Тому, навчальні
відеозаписи, як правило, проводять на одноколірному фоні (без охоплення сторонніх
об’єктів в кадрі).

41. 4. ЗАСТОСУВАННЯ ФІЛЬТРІВ ДО ВІДЕО
 Створити новий фільтр можемо в меню Відео-
Фільтри-Новий. Декілька фільтрів
застосовуються у тому порядку, в якому вони
створювалися. Існуючі фільтри можуть бути
тимчасово вимкнені або остаточно видалені.

42. Фільтр перспективи (дозволяє виправити спотворення, які
виникають, коли об'єкт знімається під кутом)

43. П Е Р Е Л І К Ф І Л Ь Т Р І В :
- Яскравість / контрастність
- Деінтерлейсинг (для усунення подвійних зображень)
- Строб-фільтр (відображає слід рухомого об'єкта)
- Ghost filter
- Чорно-білий фільтр (перетворює кольорове зображення)
- Негативний фільтр
- Базовий фільтр
- Фільтр перспективи
- Фільтр повороту відео
- Фільтр корекції радіальних спотворень (корекція спотворень, пов'язаних з
риблячими та ширококутними об'єктивами)

44. 2020
У 2020 році авторський колектив (І. С. Чернецький,
І. А. Сліпухіна, Н. І. Поліхун, м.Київ)
запропонували 32 лабораторні роботи для
виконання у програмі аналізу Tracker.
Видання адресовано педагогам та учням Малої
академії наук України, вчителям та учням закладів
загальної, середньої освіти і старшої школи,
студентам закладів вищої та фахової передвищої
освіти.
До кожної роботи додаються посилання на
завантаження відповідних відеофайлів.

45. Дякую за увагу