物理与天文学院在《欧洲物理杂志》再发表教学研究论文

近日，物理与天文学院教学研究中心在《欧洲物理杂志》（European Journal of Physics）上发表题为“Visualization of the rolling motion of spheres connected with a rubber band using an image processing technique ”（通过图像处理技术可视化橡皮筋连接的球体滚动）的教学研究成果。文章提出一种基于球体半球标记的简易图像处理技术，可以分析传统物理实验所不能测量的球体复杂动力学行为，为物理实验教育开辟了新途径。

传统的物理实验室测量旋转运动的方法受到适用性的限制，仅适用于静止或大尺度对象，小型滚动球体运动通常需要复杂算法进行图像处理和分析。上海交通大学的团队聚焦于可视化球体旋转等动态行为，利用了手机相机的普及和计算机视觉技术的进步，开发一种准确捕捉和分析小型滚动球体运动的简易测量方法。通过给球体涂上两种不同的颜色进行半球标记，并使用一个简单的投影公式，实验人员能够精确测量球体的旋转角度和运动轨迹。对比分析表明该技术的测量精度不亚于传统光电门测量技术的精度，其测量的球体在斜面上的滚动行为和理论预言一致，证实新方法在非侵入式测量方面的优越性和在物理实验教学中广泛应用的潜力。实验中最吸引人的发现之一涉及观察通过橡皮带连接的球体的运动。研究人员详细描述了橡皮带经历的各种变化——扭曲、卷曲和超级卷曲阶段——展示了旋转动力学与能量耗散之间复杂的相互作用。该工作灵感来自于2022年国际青年物理学家锦标赛（IYPT）的一个问题，它也为展示新技术的有效性提供了复杂的研究系统，展现了计算机视觉技术在实验教育教学领域广阔的应用前景。

图1：小球转动观察的顶视图

图2：实验和理论分析得到的小球在斜面上滚动时的质心和滚动角位置变化

图3：橡皮筋长度和小球自转角度的关系

该工作是一年级李政道班物理实验课程（《物理实验导论》和《物理学实验1》）中自探索实验课题的延伸拓展，是21级李政道班学生殷越在课程组教师（潘葳、叶曦、刘嘉滨、张骏、罗旭东、罗卫东、沈学浩等）的指导和帮助下完成的。本科生殷越为第一作者，潘葳为通讯作者，上海交通大学为唯一作者单位。课程组教师基于”以问题为中心培养实践研究能力“的理念，将《物理实验导论》和《物理学实验1》的课堂教学与中国大学生物理学术竞赛赛题有机结合，并进行延伸。2023年，课程组教师指导的20级本科生曾琳茜、李昊楠、谢一凡在《欧洲物理杂志》上也发表了自探索实验课题的研究工作“Initial release condition dependent decoupling motion of Wilberforce pendulum in the case of near resonance”（近共振时韦氏摆基于初始释放条件的解耦合运动行为）。这些论文的发表是课程组教师探索新型教学模式的具体成果，也为国外教学同行了解我校物理实验教学改革和研究的思路和成果提供了机会。

《欧洲物理杂志》是国际公认的物理教学研究高水平期刊之一，也是为数不多的被SCI收录的教学研究高水平期刊之一。

论文链接

PAPER LINK

https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1361-6404/ad3999

来源：教学研究中心

图文编辑：刘真

责任编辑：叶丹、朱敏

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