Експериментальна STEM-робота: «Дослідження руху об’єктів за допомогою відеоаналізу та обчислення основних характеристик руху»

Про матеріал
У рамках цієї експериментальної роботи учні матимуть можливість дослідити різні види руху об’єктів, використовуючи сучасні технології відеоаналізу. Робота спрямована на вивчення основних характеристик руху, таких як середня швидкість, прискорення та відстань, шляхом аналізу відеозаписів експериментів. Мета роботи: З’ясувати, як змінюється рух об’єкта під впливом різних сил і умов. Розвинути навички аналізу та обробки відеоматеріалів з метою отримання точних даних про рух. Опис роботи: Підготовка експериментів: Учні будуть використовувати камери для зйомки руху різних об’єктів, таких як м’яч, маятник, людина та автомобіль. Кожен експеримент буде записано з різних ракурсів, щоб забезпечити максимальну точність аналізу. Відеоаналіз: Після зйомки відео учні використають спеціалізоване програмне забезпечення для відеоаналізу, яке дозволить їм вичленити ключові параметри руху. За допомогою програмного забезпечення вони зможуть отримати інформацію про час, середню швидкість, прискорення та відстань, пройдену об’єктами. Обробка даних: Учні заповнять таблиці з параметрами експерименту, такими як номер експерименту, назва об’єкта, час руху, середня швидкість, прискорення і відстань. На основі отриманих даних вони зможуть зробити висновки про особливості руху в різних умовах. Аналіз помилок: У процесі виконання роботи учні навчаться виявляти та аналізувати можливі помилки в експериментах, вивчаючи середні значення отриманих даних. Ця експериментальна робота не лише дозволить учням глибше зрозуміти закони фізики, а й розвине їхні навички роботи з технологіями та критичного мислення. Завдяки інтерактивному підходу, учні зможуть застосувати теоретичні знання на практиці, що значно підвищить їхню мотивацію до навчання.
Перегляд файлу

Експериментальна робота: «Дослідження руху об’єктів за допомогою відеоаналізу та обчислення основних характеристик руху»

Тема:

Застосування штучного інтелекту та відеоаналізу для дослідження фізичних характеристик руху об’єктів

Мета:

  1. Ознайомити учнів із принципами відеоаналізу руху та його використанням у сучасній фізиці.
  2. Навчити учнів аналізувати дані руху різних об’єктів за допомогою програмного забезпечення та розраховувати основні параметри руху: час, відстань, середню швидкість і прискорення.
  3. Формувати навички використання табличних значень для порівняння результатів дослідження з теоретичними значеннями та розрахунку похибки експерименту.

Методичні матеріали:

  • Параметри руху:
    • Час руху — період, протягом якого об'єкт переміщується із точки А в точку В.
    • Відстань — загальна довжина шляху, пройдена об'єктом під час руху.
    • Середня швидкість — відношення пройденої відстані до часу руху, що дозволяє оцінити, як швидко об’єкт переміщався.
    • Прискорення — зміна швидкості руху об'єкта за одиницю часу. Використовується для оцінки динамічних характеристик руху об’єктів, таких як м’яч або автомобіль.
  • Штучний інтелект у відеоаналізі:
    • Застосування ШІ: Сучасні алгоритми штучного інтелекту аналізують відеозаписи та допомагають автоматично визначати параметри руху об’єктів. Це дозволяє зменшити похибки, пов'язані з ручними вимірюваннями, і зробити дослідження більш точними.
    • Методи аналізу: ШІ використовує обробку зображень та машинне навчання для відстеження об’єктів, обчислення їхніх траєкторій та визначення швидкості й прискорення, що надає точні дані для подальшого аналізу.
    • Переваги використання ШІ: ШІ робить процес вимірювання швидким, точним та доступним для учнів, дозволяючи сконцентруватися на аналізі та висновках, а не на технічних аспектах обчислень.
  1. Інструкція з покроковими рекомендаціями для виконання роботи та прикладами табличних значень середньої швидкості об’єктів для полегшення порівняння.

 

 

Інструкція для виконання роботи:

Крок 1: Підготовка до запису

  1. Виберіть об'єкт для дослідження (м'яч, маятник, людину чи автомобіль).
  2. Підготуйте пристрій для відеозапису (телефон або планшет) та встановіть його на рівній поверхні, зручно для фіксації руху об'єкта.
  3. Переконайтеся, що зйомка чітко охоплює весь шлях об'єкта.

Крок 2: Запис відео руху

  1. Запишіть відео, де об'єкт рухається від початку до кінця.
  2. Зберігайте відео у форматі, сумісному з програмним забезпеченням для аналізу (наприклад, MP4 або AVI). Можна скористатись онлайн конвертером(https://convertio.co/ru/mov-mp4/)

Крок 3: Завантаження відео в програму

  1. Відкрийте програму для аналізу відеозаписів.
  2. Вкажіть в коді програми повний шлях до відеофайлу(Наприклад: C:\\Users\Ім’я_Користувача\Desktop\назва_файлу.mp4)

Крок 4: Автоматичне визначення параметрів

  1. Використовуйте програмне забезпечення для автоматичного розрахунку наступних параметрів:
    • Час руху
    • Пройдена відстань
    • Середня швидкість руху
    • Прискорення (якщо застосовується)
  2. Програма автоматично визначить і покаже ці значення на екрані. Занотуйте отримані дані або експортуйте їх у табличний файл (якщо є така функція).

Крок 5: Заповнення таблиці результатів

  1. Заповніть таблицю отриманими результатами:

№ досліду

Назва об'єкта

Час руху (с)

Відстань (м)

Середня швидкість (м/с)

Прискорення (м/с²)

Табличне значення середньої швидкості (м/с)

Похибка (%)

1

М'яч

 

 

 

 

7.1

 

2

Маятник

 

 

 

 

1.0

 

3

Людина

 

 

 

 

1.4

 

4

Автомобіль

 

 

 

 

13.9

 

Табличні значення середньої швидкості для об’єктів:

  • М'яч, кинутий під кутом: приблизно 7.1 м/с
  • Маятник: приблизно 1.0 м/с (залежно від амплітуди)
  • Людина (ходьба): приблизно 1.4 м/с
  • Автомобіль (міська швидкість): приблизно 13.9 м/с (50 км/год)

Крок 6: Формування висновків

  1. На основі зібраних даних напишіть висновок щодо поведінки кожного об'єкта. Порівняйте отримані результати з табличними значеннями.

________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Крок 7: Розрахунок похибки

  1. Розрахуйте похибку для кожного досліду за формулою:

  1. Внесіть похибки в останню колонку таблиці.

Крок 8: Аналіз похибки

  1. Обговоріть причини можливих похибок і те, як можна було б їх зменшити (наприклад, покращення якості відео або зменшення зовнішніх впливів).

_____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Зміст слайдів
Номер слайду 1

Штучний інтелект у фізиціРозпізнавання та аналіз фізичних явищ за допомогою алгоритмів машинного навчання. Виконав: вчитель фізики та інформатики Броварського ліцею 7 Ходов Олександр Валерійович. IA

Номер слайду 2

Завдання на урок. Цей урок має на меті дослідити взаємозв'язок фізики та штучного інтелекту (ШІ). Ми обговоримо важливість поєднання фізики та інформатики, роль штучного інтелекту у фізиці, а також основи штучного інтелекту та машинного навчання. Крім того, ми заглибимося в практичне застосування штучного інтелекту у фізиці, зосередившись на обробці та аналізі даних, розпізнаванні образів і моделюванні складних процесів. На прикладі маятника ми продемонструємо, як алгоритми штучного інтелекту можуть бути використані для розпізнавання та аналізу фізичних явищ.

Номер слайду 3

Основи штучного інтелекту та машинного навчання. Штучний інтелект (ШІ) відноситься до розробки комп'ютерних систем, які можуть виконувати завдання, які зазвичай вимагають людського інтелекту. Ці завдання включають візуальне сприйняття, розпізнавання мови, прийняття рішень і вирішення проблем. Штучний інтелект спрямований на те, щоб дозволити машинам вчитися на досвіді, адаптуватися до нових ситуацій і з часом покращувати свою продуктивність. Машинне навчання — це підмножина штучного інтелекту, яка зосереджена на тому, щоб дозволити комп'ютерам навчатися та робити прогнози чи рішення без явного програмування. Алгоритми машинного навчання дозволяють комп'ютерам вчитися на даних, виявляти закономірності та робити обґрунтовані прогнози чи рішення. Існують різні типи алгоритмів машинного навчання, такі як контрольоване навчання, навчання без учителя та навчання з підкріпленням. Кожен алгоритм має свої сильні сторони та застосування в різних областях, включаючи фізику.

Номер слайду 4

Практичне застосування штучного інтелекту у фізиціДослідження з фізики генерують величезну кількість даних, які потрібно обробляти та аналізувати. Штучний інтелект надає потужне рішення для боротьби з цим потопом даних. Алгоритми штучного інтелекту можуть ефективно обробляти та аналізувати величезні набори даних, що дозволяє фізикам отримувати цінну інформацію, виявляти тенденції та робити відкриття ефективніше. Розпізнавання закономірностей в експериментальних даних є фундаментальним аспектом фізичних досліджень. Алгоритми машинного навчання чудово виявляють закономірності та кореляції в складних наборах даних. Використовуючи ці алгоритми, фізики можуть виявити приховані взаємозв'язки та отримати глибше розуміння фізичних явищ, що лежать в їх основі. Моделювання складних процесів, таких як поведінка частинок або небесних тіл, є складним завданням у фізиці. Штучний інтелект пропонує потужний підхід для вирішення цієї складності. Алгоритми штучного інтелекту можуть більш точно моделювати природні явища, надаючи фізикам цінну інформацію та прогнози. Ці симуляції дозволяють дослідникам проводити віртуальні експерименти, економлячи час і ресурси, одночасно покращуючи наше розуміння фізичного світу.

Номер слайду 5

Розпізнавання та аналіз фізичних явищ за допомогою штучного інтелекту: на прикладі маятника. Рух маятника є класичним прикладом фізичного явища. Він демонструє регулярні коливання, що регулюються законами фізики. Вивчаючи поведінку маятника, ми можемо отримати уявлення про такі поняття, як гравітаційні сили, збереження енергії та гармонійний рух. Алгоритми штучного інтелекту можуть бути використані для розпізнавання та аналізу поведінки маятника. Надаючи алгоритмам дані про рух маятника, вони можуть навчитися виявляти закономірності, передбачати майбутню поведінку та отримувати значущу інформацію. Це дозволяє фізикам отримати більш глибоке розуміння основних принципів, що керують рухом маятника. У кейсі ми застосуємо алгоритми машинного навчання для аналізу даних маятника та здійснення висновків. Навчаючи алгоритми набору даних про рух маятника, ми можемо розробити моделі, які точно прогнозують поведінку маятника. Завдяки цьому аналізу ми можемо виявити тонкі нюанси, виявити фактори, що впливають на рух маятника, і поглибити наше розуміння фізичних принципів, що діють.

Номер слайду 6

Огляд фізичного явища – маятник Рух маятника характеризується коливаннями навколо рівноважного положення. 1. **Амплітуда (A)** – це максимальне відхилення маятника від положення рівноваги. Вона залежить від початкового імпульсу і визначає, наскільки високо маятник піднімається на кожному коливанні. Ключові параметри цього руху:2. **Період (T)** – це час, за який маятник здійснює одне повне коливання (від крайнього правого до крайнього лівого положення і назад). У випадку невеликих коливань період залежить лише від довжини маятника та прискорення вільного падіння.

Номер слайду 7

Практична частина – Розпізнавання руху на відео Виконання практичної роботи в групах: кожна група самостійно знімає коротке відео з маятником, рухом м’яча, рухом людини, рухом автомобіля і проводить базовий аналіз.

Номер слайду 8

Код для створення програмного забезпечення для визначення руху:import cv2 # Відкриваємо відеофайлvideo_path = 'path_to_your_video.mp4' # Замість цього вставте шлях до вашого відеоcap = cv2. Video. Capture(video_path)# Змінні для зберігання попереднього та поточного кадрівprev_frame = Nonewhile True: # Зчитуємо кадр з відео ret, frame = cap.read()

Номер слайду 9

if not ret: break # Перетворюємо кадр в сірий колір gray_frame = cv2.cvt. Color(frame, cv2. COLOR_BGR2 GRAY) # Зменшуємо розмір кадра для швидшої обробки gray_frame = cv2. Gaussian. Blur(gray_frame, (21, 21), 0) # Якщо попередній кадр не визначено, зберігаємо поточний if prev_frame is None: prev_frame = gray_frame continue # Обчислюємо різницю між попереднім і поточним кадрами frame_delta = cv2.absdiff(prev_frame, gray_frame) # Застосовуємо порогове значення для виявлення руху thresh = cv2.threshold(frame_delta, 25, 255, cv2. THRESH_BINARY)[1]

Номер слайду 10

# Розширюємо зображення для зменшення шуму thresh = cv2.dilate(thresh, None, iterations=2) # Знаходимо контури, які представляють область руху contours, _ = cv2.find. Contours(thresh, cv2. RETR_EXTERNAL, cv2. CHAIN_APPROX_SIMPLE) for contour in contours: if cv2.contour. Area(contour) < 500: # Змінюйте цей поріг за потреби continue # Малюємо прямокутник навколо об'єкта, що рухається (x, y, w, h) = cv2.bounding. Rect(contour) cv2.rectangle(frame, (x, y), (x + w, y + h), (0, 255, 0), 2) # Відображаємо оброблений кадр cv2.imshow("Motion Detection", frame

Номер слайду 11

# Оновлюємо попередній кадр prev_frame = gray_frame # Вихід з циклу при натисканні клавіші 'q' if cv2.wait. Key(1) & 0x. FF == ord('q'): break# Закриваємо відео та вікнаcap.release()cv2.destroy. All. Windows()

Номер слайду 12

Опис коду: • Зчитування відео: Код використовує cv2. Video. Capture для відкриття відеофайлу. • Обробка кадрів: Кожен кадр перетворюється в сірий, потім згладжується, щоб зменшити шум. • Визначення руху: Обчислюється різниця між поточним і попереднім кадрами, після чого застосовується порогове значення для виявлення руху. • Контури: Виявляються контури, що представляють об’єкти, які рухаються, і малюються прямокутники навколо них. • Візуалізація: Оброблений кадр відображається у вікні.

Номер слайду 13

Обговорення результатів:

Номер слайду 14

Підсумок уроку Короткі висновки,Обговорення досягнутих результатів. Питання та відповіді.

Номер слайду 15

Підбиття підсумків і висновок. Сьогодні ми розглянули інтеграцію фізики та штучного інтелекту (ШІ). Ми обговорили важливість поєднання фізики та інформатики, роль штучного інтелекту в дослідженнях у фізиці, а також основи штучного інтелекту та машинного навчання. Ми також розглянули практичне застосування штучного інтелекту у фізиці, зосередившись на обробці даних, розпізнаванні образів і моделюванні складних процесів. Нарешті, ми дослідили, як алгоритми штучного інтелекту можуть бути використані для розпізнавання та аналізу фізичних явищ на прикладі маятника.Інтеграція штучного інтелекту в дослідження з фізики має величезний потенціал для майбутніх досягнень. Штучний інтелект дозволяє нам обробляти та аналізувати величезні обсяги даних, розпізнавати закономірності та точніше моделювати складні процеси. Використовуючи можливості штучного інтелекту, фізики можуть виявляти нові явища, робити новаторські відкриття та прискорювати прогрес у різних наукових галузях. Продовжуючи досліджувати синергію між фізикою та штучним інтелектом, ми відкриваємо двері до захоплюючих можливостей і глибшого розуміння світу природи. Короткий зміст основних положень уроку. Висвітлення важливості штучного інтелекту в дослідженнях у фізиці та його потенціалу для майбутніх досягнень

Номер слайду 16

Домашнє завдання Дослідити інше фізичне явище (наприклад, падіння листка паперу, падіння м’яча з невеликої висоти) за допомогою аналогічного методу та підготувати короткий звіт.

zip
Пов’язані теми
Фізика, Розробки уроків
Додано
1 листопада
Переглядів
122
Оцінка розробки
Відгуки відсутні
Безкоштовний сертифікат
про публікацію авторської розробки
Щоб отримати, додайте розробку

Додати розробку