使用“跟踪器”软件进行光学现象的教学外文翻译资料

使用“跟踪器”软件进行光学现象的教学

原文作者 M Rodrigues, P Simeatilde;o Carvalho

单位 波尔图大学

摘要：随着激光指示器的发明与传播，对光学现象进行观察也变成了一个相对简单的任务。学生们可以自己购买一个激光然后在家里在做实验，以定性的方式研究光的反射，折射和衍射现象。然而，定量实验使用到的精密仪器需要进行一个相对复杂的设置。幸运的是，我们可以使用免费的视频软件”跟踪器”来对光学现象进行一个简单而又定量的分析。本文将向我们展示将视频的优势运用在光学实验活动中的教学理念。我们打算展示：a.光学现象的研究是多么容易，我们甚至可以在家里研究。因为”跟踪器”软件提供了很多必要的测量仪器，我们只需要准备需要一些很常见、很简单的材料。b.我们怎样使用跟踪器来提高学生对光学概念的理解。我们将举例说明怎么使用视频模拟研究反射定律，Snell定律，透镜和反射镜的焦距，和衍射现象，我们希望这将激励教师在他们自己的学校和班级里使用“追踪器”软件。

1 引言

如今，视频建模已然成为进行物理学中多个课题的教学和学习的一个工具。大部分的主题一般与运动学或运动现象有关，通常不包括物理学中的其他课题，比如光学这样的被认为是“静态”的领域。

为了帮助学生更好地了解光学概念和规律，老师通常会组织他们在有专业科学设备的光学实验室里进行学习实验。但是，出于安全方面的考虑，学生没有自由访问这些实验室的权限，因此他们生动手实验的时间是非常有限的。即使是最基本的简单光学实验，学生对相关的基本概念的理解还会存在一定的困难，更勿论是对其中的光学现象进行解释。

一个与现实非常接近的真实实验录像（也被称为视频实验活动（VBEA））对学生而言有一个很大的好处：可以在任何时间，不限次数的观看视频（并进行分析总结），还可以就得出的实验结论在互联网上与他们的伙伴进行在线讨论。

教师可以把一个特定的实验细节录制或拍摄下来并将其发给学生，也可以让学生自行把自己的实验过程录制下来，让学生在互动的环境中学习，将教学的过程拓展到课外。

“跟踪器”是一款免费的视频分析软件，内置大量可以进行图像分析的工具。因此，教师必须制定适当的课堂策略来探讨视频，所以视频可以被用作是一个证明，一个探索或者问题的发布，或者用作视频实验活动。

接下来，我们将根据实例来介绍如何借助视频和图像进行基础光学教学。视频和照片是使用30帧/秒的相机进行拍摄，并使用开源的“跟踪器”软件对此进行了分析。

2 反射定律

反射定律的定义：(i)反射光线、入射光线和法线处于同一平面内。反射光线与入射光线分居法线两侧；(ii)反射角等于入射角。通常情况下，定义(i)是由教师直接告诉学生的，没有提供任何证据去证实，就像只是一个假设，但其实它不是！

事实上，我们必须通过各种途径向学生证实这一点。特别应从以下两个角度去观察：一个是从上方观察入射光线和反射光线（可以发现其投影是一条直线），另一个是从侧面观察，可以看到入射光线和反射光线处在相同的平面上，镜子的法线也在此平面内。最好的方法是使用反射镜和光源做实验，这样就可以让学生很好地观察（图1（a）和（b））。如果做不了实验，我们提出了一个从侧面观察的视频记录作为一种替代的方法，可以从stacks.iop.org/ PhysED/ 49/ 671/mmedia [ 4 ]下载。

为了理解定义(ii)，学生需收集有关入射光线和反射光线的数据。从图2我们可以看到在Hartl盘上放置了一面镜子，有两条红色激光束：其中一条是入射光线，另一条是反射光线。从stacks.iop.org/PhysED/49/671/mmedia [5]提取出来的视频中，我们可以看到当Hartl盘旋转时入射光束是固定的。

在采集实验数据和分析视频之前，学生需先根据入射光线确定下原点的位置，并以之作为参考系，使之与带镜面参考轴对齐，同时在另一轴点的法线方向（垂直于平面镜）。然后，他们就只要用量角器等工具（无论是Hartl盘，或“跟踪器”软件）测量的入射角和反射角。

通过视频学生可以观察到当入射角发生变化时，反射角的变化情况（他们需要调整每个测量的参考帧）。这将使他们意识到在实验误差允许的范围内，入射角与相对应的反射角相等的事实。

事实上，这些测量有利于学生操作和理解抽象概念的垂直轴（法线）和其光学可用性。学生可以用一个表面带曲率的镜子代替平面镜来观察反射定律（图3）并了解角度的变化情况。在光学中测量要根据镜子每个点的法线，而不是与平面镜那样的唯一的表面法线。

对学生和老师来说，使用视频实验活动有几个好处：1、了解一些操作的概念，如法线、入射光线和反射光线、入射角和反射角等；2、利用量角器作为一种工具来测量入射和反射角度；3、了解一个参考帧的重要性（垂直轴）；4、在学习反射规律中“动手实验”的重要性；5、用于课堂作为实验活动，或作为家庭作业。

视频实验活动的这些优势都是为了帮助学生学习在书中只提供图像的抽象概念。

3 Snellrsquo;s定律（折射定律）

折射现象更为复杂，并没有反射那么直观。如果学生看到光线在两个透明介质界面发生了什么变化，那么将会更好地理解折射现象。

经典课堂实验——折射玻璃棱镜或水对折射现象的讨论是非常重要的，视频的分析还可以给它一个很好的补充。通过视频记录光线在透明介质中的折射现象，学生可以使用“跟踪器”软件进行分析，以上述类似的方式。在这视频实验活动，我们有一个半圆形的透明体，用摄像机分别拍摄红色激光束在不同入射角时的情况（图4（a））。

入射光线在空气与界面接触的地方发生了折射，我们可以观察到入射角theta;i大于折射角theta;t。学生可以使用“跟踪器”软件在中的量角器功能在数帧之中测量这些角度。根据折射定律

我们都知asymp; 1，介质的折射率就可以轻易得到。为了简化测量我们推荐使用两个量角器（一个测入射角，另一个测折射角）。根据视频帧率，我们可以通过调整帧的数量来可视化的“采样大小”按钮来控制采集的数据量。本程序是有用的减少以收集数据的时间，特别是在教室的环境中非常重要。这次我们的视频实验中使用220帧/秒，我们建议在“跟踪器”软件设定“采样大小”参数为10，让学生使用不超过5分钟的时间，这与一个真正的经典实验相当。

数据的统计处理（线性网络和相对标准偏差）可以做成图形表示与（图4（b））。得到的（在我们的研究中，1.488plusmn;0.004）可以对比那些列入参考文献的丙烯酸和玻璃材料，和被用来识别的可能的组合物光体。

学生还可以研究光的全反射，提供一个视频，增加入射角（从透明的测量体）直到不透光，我们只能介质–空气的交界面看到入射和反射光线（图5（a）和（b））。

这时老师将介绍临界角的概念，学生可以用量角器测量工具（图5（b））。在这种情况下，折射定律可改写为

由此，学生可以判定的值，并将该值与先前的计算结果进行比较。

视频拍摄时每秒高数量的帧很重要，因为这将提高临界角的测量精度。

学生也可以研究光的频率对的折射率的影响（图 5（c））。在我们的视频实验中，红色和绿色的光的临界角略有不同，如图5(b)和(c)所示，这意味着绿光的折射率（n =1.53）高于红光（n =1.49）。

4 在透镜和反射镜焦距

透镜和反射镜是用于图像的建构的光学元件。要了解这些组件如何工作，学生需要自己操作，进行观察和做一些确定物理量的测量。

用透镜和反射镜做的实验不计其数，可以发现，有一个共同点是他们是静止不动的，需要执行程序的技能，而且只能在一个光源实验室中进行。我们可以试着让他们可行而不会太失真。提供学生所需（最好是学生自己做的图片或视频）的实验装置，他们可以在课堂外进行实验。

图6给出了透镜和反射镜，可以做为学生的作业实例，观察汇聚和发散的光线，确定焦距或简单地探索光在通过透明介质时的方向变化。

教师也可以使用其他配置，即透镜和反射镜的联合，产生的照片或视频，学生可以探索物理量和研究光学仪器的功能（如利用显微镜或望远镜建设图像）。我们发现视频比照片更有优势。因为，在镜子中的反射定律的情况下，学生可以在短暂的现象中看到的光学定律不变性，什么是不变的如焦点位置的变化（图2（b）），它总是在镜子或透镜的光学轴上，因此有助于解决一些学生的误解。

5 衍射现象

光的衍射是另一个现象，可以通过“跟踪器”软件的图像分析研究。图7（a）显示了从一个衍射光栅的波长lambda;= 633 nm的红色激光束得到的衍射图案。光栅有一个未知的狭缝间距d，光栅与屏幕的间距为D（见图7（b））。

预计中央和双边之间的距离X激光点在屏幕上与激光波长lambda;有关，

其中n是一个整数对应的衍射模式的顺序(在这个模型中我们假设D远远高于狭缝宽度)。

为距离为D的每个图像，我们可以用跟踪器的测量工具测量X线剖面(图8(a))，X轴作为n的函数(图8(b))，并获得d线性实验结果。

得到的不同结果的D如表1所示。

作为一种课堂教学策略，我们可以给尽可能多的信息，我们希望学生（相关或无关的问题），无论信息是在工作表内或出现在实验装置图中，他们都能标出下面一些参数，如光的波长，每个衍射图案的距离D或温度（图7（b）），并要求学生求出狭缝间的距离。他们可以把在教室/实验室实验时拍摄的视频作为家庭作业，使用“跟踪器”软件作为一种工具来分析衍射图案。

6 结论

人们通常认为，视频分析只能从事与力学有关的方面，特别是运动学。新工具包括最近的视频分析软件如“跟踪器”软件，扩大了可以使用这些软件作为教学和学习工具的科学领域。

使用视频实验在物理概念的教学上有几个优势：(1)可以自由在网络上发布视频，学生不仅可以在教室，还可以在家里观看，提高学生对具体内容的理解；(2)教师可以让学生执行简单的实验包括拍摄；（3）学生可以在任何时间，不限次数的进行实验分析；（4）学生将相关的物理概念运用到实际生活中。

在光学方面，视频和照片可以用来测量入射、反射和折射的角度，建立图形和获得这些角度之间的关系，并最终确定光学介质的折射率。因此，学生可以学习光学定律和巩固课堂讲授内容，如透镜或衍射现象。视频实验在当前的高中基础光学教学中潜力大。

我们正在从事“跟踪器”软件在激励和互动的环境下对于物理的视频教学影响的研究。各自对学生学习的促进效果将另文发表。

外文文献出处：M Rodrigues, P S Carvalho. Teaching optical phenomena with Tracker [J]. Physics Education, 2014, 49(6): 671-677.

附外文文献原文

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