借助Tracker从已有图象中提取数据点和做了一个题
有一款科研利器GetData,从别人已经画好了的图象上提取数据点的坐标值,不少科研公众号推送它。收费,还涉及中英文切换的问题。
今天有一个题目,想研究它一下,所以就拿它当例子,不使用GetData,而使用开源、免费的Tracker软件从图象里把它的数据点提取出来。
题目:
某同学利用图甲所示装置研究摩擦力的变化情况。实验台上固定一个力传感器,传感器用棉线拉住物块,物块放置在粗糙的长木板上。水平向左拉木板,传感器记录的F-t图像如图乙所示。下列说法正确的是
A.实验中必须让木板保持匀速运动
B.图乙中曲线就是摩擦力随时间的变化曲线
C.最大静摩擦力与滑动摩擦力之比约为10:7
D.只用图乙中数据可得出物块与木板间的动摩擦因数
对考场中的考生,时间有限,大多是浅浅的思考:读图、得到C正确,然后再进一步确认B中说“就是”,相当于说“拉力就是静摩擦力”,确认B错误。答题卡涂上C,下一题。
这个F-t图,注意它的横坐标是时间,也就是说,这图象的颤颤抖抖,可能与棉线有关,棉嘛,软乎乎猫肚子一样,不能产生支撑但可以反馈拉力,所以多少还是有一些迟缓的时间;还可能与这个实验者的手有关,抖抖抖、抖个不停,特别是4.0s附近的图象和7.0s之后的图象,正常情况下能不能产生?怎么产生的?这人肯定没反向回推过?再有就是传感器本身器件的原因,会有漂移,会有噪声,不滤波乱七八糟,滤波又把细节滤丢了。
这个图象,最可疑的,就是4.0s附近那段突然变小,时间接近0.5s!怎么可能?为什么可能?于是想到把图象里的数据点提出来,搞两个反例说一下这个题。
Tracker提取数据点坐标的原理,就是建立一个正方形的参考宽高,取完数据,按比例折合成真正的坐标,再改一下单位。
1.到Excel里建立一个参考坐标。把图象引入到Excel,然后画一个正方形在上面,对齐横、纵坐标的单位长度。现在红正方形的边长,对应横坐标0.5、纵坐标2。
2.到Tracker里建立数据点。上面的图抓屏,保存成图象文件,然后引入到Tracker里面。由于引入的是图片,到视频长度滑杆上设定视频长度为0-90帧。否则抓取坐标时,坐标点的数量只能抓9个,多了不行,那是Tracker默认的,因此改成了91帧。
建立坐标系,让坐标系和图象的坐标系重合。从Tracker里面看,我这个图明显扭曲了。然后再建立单位长度,就取红色正方形的边长为1m,之后到Excel里折合去。
建立一个要追踪的质点,然后pia pia pia把坐标抓下来了。到右侧把数据表格全选中,复制,打开Excel,粘贴。
3.折合真正坐标点。把x改成t/s,y改成F/N,重新计算抓下来的坐标,t/s列数值乘以0.5,F/N列数值乘以2,Tracker里面带过来的t不看了,没用了。
4.Excel里插入带CV连线的散点图,和原来的图象对比一下看看。挺像的。总觉着是个事儿,原始图象有些变形!
没忍住,最终仍然是到photoshop里面网格化变形,捏了捏,反正它产生的最可能原因,是类似书翻开页摊在桌子上时的弯曲,照此捏回去就是了。
得到了这些数据点坐标,故事就开始了啊。4.0s附近怎么会那么长的时间让最大静摩擦务缓慢变成滑动摩擦力呢?我抓了4.26s这个时刻,这个时刻之后,点子们可以平均地拟合到7.04N,万一最大静摩擦力就出现在4.26s会怎样呢?
把数据引入到Logger Pro里面去,重新用抓取的坐标点画出图象,我们因为不知道这个实验者为什么手滑,所以我们也手滑地拟合了3种情况:y=mx+b、y=Ax2+Bx+C、y=Ae-Cx+B,相关系数都不小,0.9748、0.9895、0.9874,当然即便如此也只能是参考,因为原始图象就是变形之后又捏回“原样”的。
现在用这些拟合关系计算一下4.26s的数值,我们假设那里曾经出现过最大静摩擦力,只是传感器当时没注意,没测到这个数据,而是测到了下一时刻的滑动摩擦力。
题目里的C选项说最大静摩擦力和滑动摩擦力比值大约10:7,我们让它极端地达到12:7、16:7,要是想到这一层,估计考生手也开始抖了,手心也出汗了,因为没有可选答案了。
这个题的图,我查了一下,老人教版和教科版里都没有,是2019年新教材里的,原始图这样:
那个小尖峰达不到0.5s时延,这个突变用手机phyphox软件也很容易测量到,远小于0.1s。
(图片摘自创客焦作公众号,实验图为张怀华老师实验介绍节选)
另外,多数成品的传感器都已经经过滤波、补偿、放大等等对采集信号的修补,再加上采样率等因素的考虑,以传感器实验为情境背景的实验,其实想说清楚挺复杂的。