1、运动生物力学实验运动生物力学实验数字体育实验教学中心：钟亚平、于代峰等数字体育实验教学中心：钟亚平、于代峰等目录目录实验一实验一 人体重心测量与分析人体重心测量与分析实验二实验二 马格努斯效应实验马格努斯效应实验实验三实验三 运动技术影片解析与评价运动技术影片解析与评价实验四实验四 速度测量法速度测量法实验五实验五 原地纵跳实验原地纵跳实验实验一 人体重心测量与分析1 实验目的与要求实验目的与要求1.1实验目的实验目的1.1.1 学习用一维重心测量板测定人体总重心的实学习用一维重心测量板测定人体总重心的实验方法。分析影响人体重心位置的因素。培养学生验方法。分析影响人体重心位置的因素。培养学生查
2、阅文献资料、独立思考创新思维、动手操作、分查阅文献资料、独立思考创新思维、动手操作、分析问题和解决问题的能力，使学生基本掌握从事一析问题和解决问题的能力，使学生基本掌握从事一般测定人体重心的方法。般测定人体重心的方法。1.1.2 掌握实验方案具体的制定程序，能针对选择掌握实验方案具体的制定程序，能针对选择对象的特点和要求实验。对象的特点和要求实验。1.1.3 掌握用人体重心位置的评定方法，为运动技掌握用人体重心位置的评定方法，为运动技术分析提供指导。术分析提供指导。1.2实验要求实验要求1.2.1 重心的测定要简单、灵敏、具有可操作重心的测定要简单、灵敏、具有可操作性性1.2.2 学生必须阅读
3、一定的文献资料，在教师学生必须阅读一定的文献资料，在教师的指导下独立自主完成实验。的指导下独立自主完成实验。1.2.3 能对选择对象的具体情况客观分析，实能对选择对象的具体情况客观分析，实验操作时要认真细致，注意安全验操作时要认真细致，注意安全1.2.4 实验包括：所选择采取的人体中心测量实验包括：所选择采取的人体中心测量的方法、结果分析。的方法、结果分析。2 实验原理与应用实验原理与应用2.1 实验原理实验原理重心是地球对物体的引力。如将物体分为许重心是地球对物体的引力。如将物体分为许多小块，则每块上都受到重力的作用，这些多小块，则每块上都受到重力的作用，这些力组成一平行力系。而这一力系的合
4、力通过力组成一平行力系。而这一力系的合力通过的某个确定的点就称为重心。在研究中，常的某个确定的点就称为重心。在研究中，常可用重心的轨迹来描述物和人的运动情况，可用重心的轨迹来描述物和人的运动情况，所以确定人体或物的重心是各项研究的基础。所以确定人体或物的重心是各项研究的基础。依据静力学中的力矩平衡原理进行重心位置依据静力学中的力矩平衡原理进行重心位置的测定。的测定。图图11-1为一维人体重心测量板，空板时秤读为一维人体重心测量板，空板时秤读数为数为N0，人体重为，人体重为W，人躺在板上后（两族，人躺在板上后（两族紧贴抵足板，组背屈）体重秤的读数为紧贴抵足板，组背屈）体重秤的读数为N，设人体总重
5、心至设人体总重心至A点的距离为点的距离为AD，则根据力，则根据力矩平衡原理有：矩平衡原理有：上式中上式中AD为被试者标准站立姿势时的总重心的为被试者标准站立姿势时的总重心的绝对高度，便于比较可计算人体重心的相对绝对高度，便于比较可计算人体重心的相对高度，其计算公式如下高度，其计算公式如下: 重心相对高度重心相对高度=重心绝对高度重心绝对高度/身高身高100%2.2 实际应用：在实际研究中，通常需了解人实际应用：在实际研究中，通常需了解人体重心的相对高度，即重心位于人体高度百体重心的相对高度，即重心位于人体高度百分之几处。一般来说，重心高度受人体体型、分之几处。一般来说，重心高度受人体体型、性别
6、、年龄的影响。长期从事体育锻炼也可性别、年龄的影响。长期从事体育锻炼也可引起重心位置的改变。引起重心位置的改变。3 实验仪器设备实验仪器设备体重秤、一维重心测量板、身高仪、钢卷尺等。体重秤、一维重心测量板、身高仪、钢卷尺等。4 实验内容实验内容4.1 查阅文献，了解人体重心在体育运动研究中的查阅文献，了解人体重心在体育运动研究中的意义，掌握实测重心的方法。意义，掌握实测重心的方法。4.2 在教师的指导下确定所用的实验方法。在教师的指导下确定所用的实验方法。4.3 按照所选择的实验方案进行实验操作按照所选择的实验方案进行实验操作4.4在教师的指导下进行实验结果的分析与讨论在教师的指导下进行实验结
7、果的分析与讨论4.5参考文献资料，书写实验报告。参考文献资料，书写实验报告。5 实验程序实验程序5.1 学生两人为一组学生两人为一组5.2 赤足测量每人的身高、体重。赤足测量每人的身高、体重。5.3如图如图11-1所示，被试者以标准解剖姿势平所示，被试者以标准解剖姿势平躺在测量板上，另一学生读出体重秤读书并躺在测量板上，另一学生读出体重秤读书并记录在登记表内，。然后被试者分别作两臂记录在登记表内，。然后被试者分别作两臂平举和两臂上举，并记出体重秤读数。平举和两臂上举，并记出体重秤读数。5.4依据上述原理和测量数据结果，分别算出依据上述原理和测量数据结果，分别算出不同姿势的重心高度和标准解剖位的
8、相对高不同姿势的重心高度和标准解剖位的相对高度。度。5.5 根据测量结果写出实验报告。根据测量结果写出实验报告。6 注意事项注意事项6.1 设计运动方案时，应注意检索文献资料，设计运动方案时，应注意检索文献资料，注意研究对象间的差异注意研究对象间的差异6.2严格按照实验方法与步骤进行操作。严格按照实验方法与步骤进行操作。6.3做好实验数据的统计分析。做好实验数据的统计分析。实验二 马格努斯效应实验1 实验目的与要求实验目的与要求1.1 实验目的实验目的1.1.1 学习马格努斯效应产生的原理，并能分学习马格努斯效应产生的原理，并能分析运动器械飞行中产生此效应的条件。设计析运动器械飞行中产生此效应
9、的条件。设计并分析动作技术的要求与特点。并分析动作技术的要求与特点。1.1.2掌握实验方案具体的制定程序，能对这掌握实验方案具体的制定程序，能对这种实验仪器进行操作。种实验仪器进行操作。1.1.3学习掌握马格努斯效应实验方法掌握学习掌握马格努斯效应实验方法掌握马格努斯效应产生的原理。马格努斯效应产生的原理。1.2实验要求实验要求1.2.1马格努斯效应的测定要简单、灵敏，具有可操马格努斯效应的测定要简单、灵敏，具有可操作性设计方案要科学合理、要有实效性。作性设计方案要科学合理、要有实效性。1.2.2学生必须阅读一定的文献资料，在教师的指导学生必须阅读一定的文献资料，在教师的指导下独立自主完成实验
10、方案的设计。下独立自主完成实验方案的设计。1.2.3尽可能利用现有的仪器、设备设计实验，并能尽可能利用现有的仪器、设备设计实验，并能对所选择对象的具体情况客观分析。实验操作时要对所选择对象的具体情况客观分析。实验操作时要认真细致，注意安全。认真细致，注意安全。1.2.4实验设计必须包括：所选择的测定马格努斯效实验设计必须包括：所选择的测定马格努斯效应的方法、结果分析。应的方法、结果分析。1.2.5将整个实验内容写成小论文形式分实验小组将整个实验内容写成小论文形式分实验小组进行报告。进行报告。2. 实验原理实验原理 足球和乒乓球等项目中，时常能见到旋转飞行的球描一足球和乒乓球等项目中，时常能见到
11、旋转飞行的球描一条奇妙的轨迹运动。人们叉常称这种球为条奇妙的轨迹运动。人们叉常称这种球为“香蕉球香蕉球”球飞球飞行时产生的这种效应是马格努斯最早指出的，故又称之为马行时产生的这种效应是马格努斯最早指出的，故又称之为马格努斯效应。下面来分析一下它产生的原因。格努斯效应。下面来分析一下它产生的原因。 一辆小车上装着一个能旋转的圆筒，当无风吹圆筒时，一辆小车上装着一个能旋转的圆筒，当无风吹圆筒时，小车静止不动，如用小车静止不动，如用 电扇从侧面吹圆筒，小车就会朝前或朝后运动，小车的运电扇从侧面吹圆筒，小车就会朝前或朝后运动，小车的运动必然有力的推动，这是怎样产生的呢动必然有力的推动，这是怎样产生的呢
12、?让我们来分析圆筒让我们来分析圆筒周围的空气运动情况。当筒旋转时，有一层空气附着在筒壁周围的空气运动情况。当筒旋转时，有一层空气附着在筒壁上与其一起旋转。这样，从侧面吹来的气流在上与其一起旋转。这样，从侧面吹来的气流在A、B两侧遇两侧遇到了朝不同方向运动的空气。在到了朝不同方向运动的空气。在A侧，风吹气流的速度方向侧，风吹气流的速度方向与附着圆筒周围空气的运动方向一致，使这里的气流速度加与附着圆筒周围空气的运动方向一致，使这里的气流速度加快，而快，而B侧则相反，气流速度减小。根据伯努力方程：侧则相反，气流速度减小。根据伯努力方程：速度大的一侧气压必减小。这就使圆筒速度大的一侧气压必减小。这就使
13、圆筒A、B侧的压侧的压力不等，正是由于这一压力差的存在使小车产生力不等，正是由于这一压力差的存在使小车产生了运动。如果圆筒速度不太大了运动。如果圆筒速度不太大(小于气流速度的小于气流速度的4倍倍)。小车运动的压力可用下式求出：小车运动的压力可用下式求出：上式中：上式中：d圆筒直径；圆筒直径； V吹来气流的速度；吹来气流的速度； u圆筒旋转的线速度；圆筒旋转的线速度； f介质密度介质密度(夺气密度夺气密度)； t圆筒的高度。圆筒的高度。 由于球在空中飞行的情况较复杂，故由于球在空中飞行的情况较复杂，故只可用于定性描述球的运动情况。只可用于定性描述球的运动情况。3. 实验仪器设备实验仪器设备 装有
14、旋转筒的小车一辆，电池或稳压电源电扇装有旋转筒的小车一辆，电池或稳压电源电扇一台，平板或平台一个。一台，平板或平台一个。4. 实验内容实验内容 4.1 查阅文献，了解马格努斯效应在体育运动研究查阅文献，了解马格努斯效应在体育运动研究中的意义，掌握实测马格努斯效应的方法。中的意义，掌握实测马格努斯效应的方法。4.2 在教师的指导下确定所用的实验方法。在教师的指导下确定所用的实验方法。4.3 设计实验方案。设计实验方案。4.4 按照所设计的实验方案进行实验操作。按照所设计的实验方案进行实验操作。4.5 在教师的指导下进行实验结果的分析与讨论。在教师的指导下进行实验结果的分析与讨论。4.6 参考文献
15、资料书写论文。参考文献资料书写论文。5. 实验参考方案实验参考方案5.1 学生学生4人为一组。人为一组。5.2 先检查小车的各部分是否牢固，旋转处应加些润先检查小车的各部分是否牢固，旋转处应加些润滑油。滑油。5.3 接通电源后让圆筒空转，看是否有偏心。如旋转接通电源后让圆筒空转，看是否有偏心。如旋转时筒振动，说明有偏心，应重新安装。时筒振动，说明有偏心，应重新安装。5.4 将电扇打开，从侧面吹小车。观察结果，再将筒将电扇打开，从侧面吹小车。观察结果，再将筒的转向改变，看会发生什么变化。的转向改变，看会发生什么变化。5.5 试设计一种方法测出小车所受压力的大小。试设计一种方法测出小车所受压力的大
16、小。5.6 根据实验结果写出实验报告。根据实验结果写出实验报告。6. 注意事项注意事项6.1 设计运动方案时，应注意检索文献资料。设计运动方案时，应注意检索文献资料。注意研究对象间的差异。注意研究对象间的差异。6.2 严格按照实验方法与步骤进行操作。严格按照实验方法与步骤进行操作。6.3 做好实验数据的统计分析。做好实验数据的统计分析。实验三 运动技术影片解析与评价1. 实验目的与要求实验目的与要求1.1实验目的实验目的1.1.1 学习并掌握运动技术影片解析的原理，掌握影片解析学习并掌握运动技术影片解析的原理，掌握影片解析系统的使用方法。系统的使用方法。1.1.2 了解和掌握运动图像解析方法在
17、体育运动实践中的应了解和掌握运动图像解析方法在体育运动实践中的应用和意义，为体育教学和运动训练提供指导。用和意义，为体育教学和运动训练提供指导。1.1.3 掌握和巩固运动解析系统各仪器的基本操作。掌握和巩固运动解析系统各仪器的基本操作。1.1.4 通过整个拍摄到解析运动技术的研究过程提高学生通过整个拍摄到解析运动技术的研究过程提高学生的学习兴趣，培养学生查阅文献资料、独立思考、创新思维、的学习兴趣，培养学生查阅文献资料、独立思考、创新思维、动手操作、分析问题和解决问题的能力使学生基本掌握从动手操作、分析问题和解决问题的能力使学生基本掌握从事一般科学研究的方法。事一般科学研究的方法。1.2 实验
18、要求实验要求1.2.1 每每45人一组自由组合编组，选定一人担人一组自由组合编组，选定一人担任小组长。任小组长。1.2.2 查找国内外近十年有关运动影片解析的文献查找国内外近十年有关运动影片解析的文献资料并总结，以小组为单位进行讨论，拟定实验的资料并总结，以小组为单位进行讨论，拟定实验的内容与指标。内容与指标。1.2.3 根据拟定要研究拍摄的技术动作，讨论确定根据拟定要研究拍摄的技术动作，讨论确定摄像机具体的拍摄位置、高度与框架摆设等。摄像机具体的拍摄位置、高度与框架摆设等。1.2.4 掌握实验中对框架的安装和拆卸的正确方法掌握实验中对框架的安装和拆卸的正确方法以及运动解析软件的正确操作方法。
19、以及运动解析软件的正确操作方法。1.2.5 详细制定实验步骤，严格按照实验步骤与要详细制定实验步骤，严格按照实验步骤与要求进行实验。求进行实验。2实验原理实验原理 用电影摄影机对人体或物体运动进行拍摄，用电影摄影机对人体或物体运动进行拍摄，将影片进行数字化处理，然后进行分析。最将影片进行数字化处理，然后进行分析。最常用的影片数字化仪器是影片解析仪。影片常用的影片数字化仪器是影片解析仪。影片解析仪一般由控制器、显示器、游标键盘和解析仪一般由控制器、显示器、游标键盘和数字化板组成。它的基本原理如图数字化板组成。它的基本原理如图112所示。所示。 影片数字化仪器是将电影摄影机拍摄的影片转换成统一影片
20、数字化仪器是将电影摄影机拍摄的影片转换成统一的、可操作的坐标数值，它是完成模数转换工作的仪器。它的、可操作的坐标数值，它是完成模数转换工作的仪器。它首先用分析放影机将放大的图像投影到数字化板上，然后用首先用分析放影机将放大的图像投影到数字化板上，然后用游标键盘取出需要的坐标值游标键盘取出需要的坐标值(x，y)，输入到计算机储存。要，输入到计算机储存。要求该分析放影机具有可停、可慢放、可倒放的功能。影片数求该分析放影机具有可停、可慢放、可倒放的功能。影片数字化模数转换工作一般采用两种原理：一种是用超声检测原字化模数转换工作一般采用两种原理：一种是用超声检测原理。当光笔放在某点上接通开关后便发生超
21、声信号，通过理。当光笔放在某点上接通开关后便发生超声信号，通过x轴和轴和y轴传向坐标原点的时间与坐标成止比关系测得该点的轴传向坐标原点的时间与坐标成止比关系测得该点的坐标值坐标值 (x，y)；另一种是运用感应同步器原理在数字化板；另一种是运用感应同步器原理在数字化板内有横向层及纵向层排列的金属微丝，两层之间绝缘，游标内有横向层及纵向层排列的金属微丝，两层之间绝缘，游标键盘的线圈发出键盘的线圈发出3000 Hz正弦波电信号，在纵向层及横向层正弦波电信号，在纵向层及横向层微丝中，可感应出相应的正弦波信号，原正弦波信号和感应微丝中，可感应出相应的正弦波信号，原正弦波信号和感应正弦波信号之间的相位差与
22、正弦波发源地的坐标位置有线性正弦波信号之间的相位差与正弦波发源地的坐标位置有线性关系，于是便可检测出游标键盘十字丝处的关系，于是便可检测出游标键盘十字丝处的x，y坐标同时坐标同时以数字形式进行显示。数字化了的坐标数据直接进入计算机以数字形式进行显示。数字化了的坐标数据直接进入计算机内储存。计算机分析软件具有建立人体参数模型、采集图像内储存。计算机分析软件具有建立人体参数模型、采集图像坐标点、多种数据平滑方法、三维信息计算坐标点、多种数据平滑方法、三维信息计算(位移、速度、位移、速度、加速度、环节角度、角位移、角加速度、动贯、动能、能动加速度、环节角度、角位移、角加速度、动贯、动能、能动量等量等
23、)及相关的数据、图表及图形显示与打印功能。及相关的数据、图表及图形显示与打印功能。3.实验仪器设备实验仪器设备 摄像机、放映机、数字化板、计算机及解析软件、摄像机、放映机、数字化板、计算机及解析软件、打印机、绘图仪等。打印机、绘图仪等。4. 实验内容实验内容4.1 设计本次实验方案设计本次实验方案4.1.1 本次实验拍摄的内容采用定点拍摄，所以运本次实验拍摄的内容采用定点拍摄，所以运动技术动作主要是小范围的运动。根据实验的具体动技术动作主要是小范围的运动。根据实验的具体情况由小组自己来定。情况由小组自己来定。4.1.2 采用实验室配置的视讯图像解析系统。采用实验室配置的视讯图像解析系统。 4.
24、1.3 确定实验数据的统计学处理方法。确定实验数据的统计学处理方法。4.2 在教师的指导下准备各种仪器并进行实验。在教师的指导下准备各种仪器并进行实验。4.3 对实验结果进行分析与讨论，写出实验报告或对实验结果进行分析与讨论，写出实验报告或小论文。小论文。5. 实验参考方案实验参考方案5.1 实验拍摄内容，由实验小组自行决定拍摄什么实验拍摄内容，由实验小组自行决定拍摄什么技术动作，设计实验方案。技术动作，设计实验方案。5.2 根据实验拍摄的现场情况，确定摄像机的机位根据实验拍摄的现场情况，确定摄像机的机位摆放位置。确定后从拍摄开始机器就不能再发生任摆放位置。确定后从拍摄开始机器就不能再发生任何
25、移动。何移动。5.3 在运动现场摆放立体辐射框架，并拍摄下来。在运动现场摆放立体辐射框架，并拍摄下来。5.4 拿走立体辐射框架，开始拍摄所确定的技术动拿走立体辐射框架，开始拍摄所确定的技术动作。作。5.5 对所拍摄的技术动作进行采集，确定所要解析对所拍摄的技术动作进行采集，确定所要解析的技术动作，存到电脑。的技术动作，存到电脑。5.6 利用视讯解析系统对所采集的技术动作进行解利用视讯解析系统对所采集的技术动作进行解析，得出有关拍摄动作的运动学参数。析，得出有关拍摄动作的运动学参数。6.1 所摄物体成像的大小与影响的清晰程度：在可所摄物体成像的大小与影响的清晰程度：在可能的条件下，尽量使成像的画
26、面大一些，以提高解能的条件下，尽量使成像的画面大一些，以提高解析精度。图像的质量与使用的镜头、摄影频率、光析精度。图像的质量与使用的镜头、摄影频率、光圈、快门、胶片、录像带质量等有关。圈、快门、胶片、录像带质量等有关。6.2 标定框架上标定点坐标的精度及标尺比例系数标定框架上标定点坐标的精度及标尺比例系数的误差。的误差。6.3 影片解析与录像解析系统硬件的精度。影片解析与录像解析系统硬件的精度。6.4 解析软件的功能：人体模型的选择，影片、录解析软件的功能：人体模型的选择，影片、录像带倾斜的修正，标定点的优化，影片、录像带同像带倾斜的修正，标定点的优化，影片、录像带同步修正，数据平滑的效果等。
27、步修正，数据平滑的效果等。6.5 拍摄场地的水平程度。拍摄场地的水平程度。6.6 摄像机拍摄的拍摄频率误差。摄像机拍摄的拍摄频率误差。6.7 光学镜头畸变造成的误差。光学镜头畸变造成的误差。6.8 摄像机摄影震动造成的误差。摄像机摄影震动造成的误差。6.9 体测量点的估计误差：三维图像解析是从两个体测量点的估计误差：三维图像解析是从两个或多个不同的方向对同一物体进行拍摄，各个摄像或多个不同的方向对同一物体进行拍摄，各个摄像机所得画面的人体关节采样点输入合成后应在关节机所得画面的人体关节采样点输入合成后应在关节中心位置，因此采样取点时应有立体空间的概念，中心位置，因此采样取点时应有立体空间的概念
28、，用透视的方法观察画面上的人体关用透视的方法观察画面上的人体关节点位置，使合成后的关节点足真正的关节中心，节点位置，使合成后的关节点足真正的关节中心，若解析时判断有误，就会造成合成后的关节中心位若解析时判断有误，就会造成合成后的关节中心位置失真。置失真。6.10 校准点校准点6.10.1至少需要至少需要6个不共面的校准点，推荐个不共面的校准点，推荐1224个点。个点。6.10.2 校准点应该包含要分析的活动点。校准点应该包含要分析的活动点。6.10.3 活动范围应该在校准点定义的区域内。活动范围应该在校准点定义的区域内。7. 注意事项注意事项7.1 镜头与焦距：采用中焦距镜头拍摄，尽量避免使用
29、广角镜头与焦距：采用中焦距镜头拍摄，尽量避免使用广角镜头或长焦镜头。在完成取景与调好焦距后，应固定镜头，镜头或长焦镜头。在完成取景与调好焦距后，应固定镜头，以确保在整个拍摄过程中焦距不变。以确保在整个拍摄过程中焦距不变。7.2 取景范围：三维定点摄影适合于研究运动范围不大的运取景范围：三维定点摄影适合于研究运动范围不大的运动，取景范围应比所要研究的运动范围略大。在确保拍摄范动，取景范围应比所要研究的运动范围略大。在确保拍摄范围的前提下，应设法使研究对象的成像尽可能的大，并处于围的前提下，应设法使研究对象的成像尽可能的大，并处于胶片中间胶片中间23的画面上。两的画面上。两(多多)台摄像机的画面中
30、必须包括台摄像机的画面中必须包括同一个参考体。同一个参考体。7.3 摄距：摄影机到拍摄的基本平面的距离一般应大于拍摄摄距：摄影机到拍摄的基本平面的距离一般应大于拍摄范围的范围的56倍。倍。7.4 机高：以主光轴对准动作范围的中心为宜。机高：以主光轴对准动作范围的中心为宜。7.5 机位的选择与两机主光轴问的夹角：机位以设置在基本机位的选择与两机主光轴问的夹角：机位以设置在基本运动面的两个侧向为好，也可放在后侧或前侧，摄影机的放运动面的两个侧向为好，也可放在后侧或前侧，摄影机的放置要考虑到能尽可能多地取到人体关节点，其中一部摄影机置要考虑到能尽可能多地取到人体关节点，其中一部摄影机的主光轴最好与运
31、动的主平面垂直，对准研究对象运动的中的主光轴最好与运动的主平面垂直，对准研究对象运动的中间位置，两机主光轴之间的夹角最好在间位置，两机主光轴之间的夹角最好在60一一120之间。之间。7.6 坐标原点与轴向的选定一般情况下，在摄影场中确定一坐标原点与轴向的选定一般情况下，在摄影场中确定一个两个两(多多)部摄影机都能看到的明显的标记点作为坐标原点部摄影机都能看到的明显的标记点作为坐标原点(参参考点考点)，也可以根据运动分析的需要确定某些特殊点作为坐，也可以根据运动分析的需要确定某些特殊点作为坐标原点，例如着地点、起跳点等。建立大地直角坐标参考系，标原点，例如着地点、起跳点等。建立大地直角坐标参考系
32、，与地面垂直的方向为与地面垂直的方向为z轴，轴，x轴与运动的主平面平行，垂直于轴与运动的主平面平行，垂直于z轴轴y轴垂直于轴垂直于xoz平面。平面。7.7 框架的放置与拍摄方法：标定框架必须置于运动范围的框架的放置与拍摄方法：标定框架必须置于运动范围的中间，立方体框架的底部的一条边平行于中间，立方体框架的底部的一条边平行于x轴，底部平面与轴，底部平面与水平面平行。两台或多台摄影水平面平行。两台或多台摄影(像像)机同时对置于运动范围内机同时对置于运动范围内的标定框架进行拍摄当标定框架小于摄影范围时，需要依的标定框架进行拍摄当标定框架小于摄影范围时，需要依次移动标定框架使之略大于摄影范围，反复对标
33、定框架进行次移动标定框架使之略大于摄影范围，反复对标定框架进行拍摄。标定点在相片上的像点分布应比较均匀。拍摄前最好拍摄。标定点在相片上的像点分布应比较均匀。拍摄前最好能对框架进行校对，避免框架变形造成的误差。能对框架进行校对，避免框架变形造成的误差。7.8 摄频：两部或多部机于的摄影频率要一致，根据所研究摄频：两部或多部机于的摄影频率要一致，根据所研究的动作确定。的动作确定。7.9 严格按照实验方法与步骤进行操作。严格按照实验方法与步骤进行操作。7.10 做好实验数据的统计分析。做好实验数据的统计分析。实验四 速度测量法1. 实验目的与要求实验目的与要求1.1 实验目的：学习速度测量法，并设计
34、测实验目的：学习速度测量法，并设计测量运动器械飞行速度与运动技术的关系。量运动器械飞行速度与运动技术的关系。1.1.1 通过实验使学习掌握速度测量法，并认通过实验使学习掌握速度测量法，并认识到速度的测定在体育运动实践中的应用和识到速度的测定在体育运动实践中的应用和意义，为体育教学和运动训练提供指导。意义，为体育教学和运动训练提供指导。1.1.2 学习掌握分段计时即分段测速的实验原学习掌握分段计时即分段测速的实验原理。理。1.1.3 学习和掌握本实验中测速用到的各种仪器的基本操作。学习和掌握本实验中测速用到的各种仪器的基本操作。1.1.4 通过研究设计型实验的实验设计与研究过程，提高学通过研究设
35、计型实验的实验设计与研究过程，提高学生的学习兴趣，培养学生查阅文献资料、独立思考、创新思生的学习兴趣，培养学生查阅文献资料、独立思考、创新思维、动手操作、分析问题和解决问题的能力，使学生基本掌维、动手操作、分析问题和解决问题的能力，使学生基本掌握从事一般科学研究的方法。握从事一般科学研究的方法。1.2 实验要求实验要求1.2.1 45人一组，自由组合编组，选定一人担任小组长。人一组，自由组合编组，选定一人担任小组长。1.2.2 查找国内外近十年有关运动训练中分段测速的文献资查找国内外近十年有关运动训练中分段测速的文献资料并总结，以小组为单位进行讨论，拟定实验的内容与所测料并总结，以小组为单位进
36、行讨论，拟定实验的内容与所测的速度指标。的速度指标。1.2.3 根据拟定的实验内容，确定实验的设计方案，确定实根据拟定的实验内容，确定实验的设计方案，确定实验现场的各种仪器的布置。验现场的各种仪器的布置。1.2.4 掌握实验所涉及的各种仪器的操作方法。掌握实验所涉及的各种仪器的操作方法。1.2.5 详细制定实验步骤，严格按照实验步骤与要求进行实详细制定实验步骤，严格按照实验步骤与要求进行实验。验。2. 实验原理与应用实验原理与应用 光电即时反馈测量方法是指采用将光信息转换为电信号的光电即时反馈测量方法是指采用将光信息转换为电信号的光电传感技术所制作的计时仪，测量和计时反馈等距或非等光电传感技术
37、所制作的计时仪，测量和计时反馈等距或非等距的分段时间，进而达到分段测速的目的。在此基础上，提距的分段时间，进而达到分段测速的目的。在此基础上，提供速度与时间关系、速度与距离关系、距离与时间关系等重供速度与时间关系、速度与距离关系、距离与时间关系等重要信息。要信息。 以光源发射器和光源接收器组成一对发收传感装置，即光以光源发射器和光源接收器组成一对发收传感装置，即光源发射器或光源接收器为独立的部分，各分段发射器的辐射源发射器或光源接收器为独立的部分，各分段发射器的辐射光束，直达光源接收器，构成一束光束，直达光源接收器，构成一束“区截线区截线”，当遇到物体，当遇到物体阻挡时被隔断，光源接收器因接收
38、不到辐射光束随即输出一阻挡时被隔断，光源接收器因接收不到辐射光束随即输出一个阶跃脉冲信号，以此作为电子计时器的启动或截止触发信个阶跃脉冲信号，以此作为电子计时器的启动或截止触发信号。采用此类型分段计时测量仪又分为单光头和双光头发收号。采用此类型分段计时测量仪又分为单光头和双光头发收传感装置。单光头发收传感装置由一对发收传感装置组成，传感装置。单光头发收传感装置由一对发收传感装置组成，双光头发收传感装置则由两对发收传感装置构成。简单地说，双光头发收传感装置则由两对发收传感装置构成。简单地说，单光头发收传感装置构成一束单光头发收传感装置构成一束“区截线区截线”；双光头发收传感；双光头发收传感装置构
39、成两束装置构成两束“区截线区截线”，这两束，这两束“区截线区截线”必须同时被物必须同时被物体所隔断时，方能随即输出一个阶跃脉冲信号作为电子计时体所隔断时，方能随即输出一个阶跃脉冲信号作为电子计时器的启动或截止触发信号。需要指出的是单光头发收传感器的启动或截止触发信号。需要指出的是单光头发收传感装置的测量误差大于双光头发收传感装置。装置的测量误差大于双光头发收传感装置。 3. 实验仪器设备实验仪器设备3.1 传感器：目前主要有电阻型、电容型、光电型传感器：目前主要有电阻型、电容型、光电型等类型。等类型。3.2 计时终端主要包括电源、电子计时器、中央处计时终端主要包括电源、电子计时器、中央处理器、
40、大规模存储器、接口电路、多路转换器、显理器、大规模存储器、接口电路、多路转换器、显示器、打印机、键盘等。示器、打印机、键盘等。3.3 附件主要包括外接电源、导线、传感器支架等。附件主要包括外接电源、导线、传感器支架等。4.实验内容实验内容4.1 查阅文献，了解分段测速在体育运动中的内容查阅文献，了解分段测速在体育运动中的内容和意义。和意义。4.2 设计实验方案。设计实验方案。4.3 按照所设计的实验方案进行实验操作。按照所设计的实验方案进行实验操作。4.4 在教师的指导下进行实验结果的分析与讨论。在教师的指导下进行实验结果的分析与讨论。45参考文献资料书写论文。参考文献资料书写论文。 5. 实
41、验参考方案实验参考方案 5.1 实验对象：本次做此实验的学生。实验对象：本次做此实验的学生。 5.2 把红外发射装置和接收装置按照等距摆把红外发射装置和接收装置按照等距摆设好。设好。 5.3 把各种设备连接起来，调试准备实验。把各种设备连接起来，调试准备实验。 5.4 开始测试，记录测试结果。开始测试，记录测试结果。6. 注意事项注意事项 6.1 根据仪器的具体技术参数确定有效的传根据仪器的具体技术参数确定有效的传感辐射距离。感辐射距离。 6.2 分段测量靶距应以传感器主光轴为分段测量靶距应以传感器主光轴为准进行准确的测量和确定。准进行准确的测量和确定。 6.3 发收传感装置的架设高度应以运动
42、员的发收传感装置的架设高度应以运动员的头部为基础高度，而这基础高度应随测试组头部为基础高度，而这基础高度应随测试组的平均身高确定一个最佳高度，并视现场测的平均身高确定一个最佳高度，并视现场测试情况进行相应的调整。试情况进行相应的调整。6.4 用于发收传感装置和计时终端的直流电用于发收传感装置和计时终端的直流电源性能不能低于所用仪器的规定参数。否则，源性能不能低于所用仪器的规定参数。否则，将给整个测试带来极大困难甚至导致测试将给整个测试带来极大困难甚至导致测试失败。因此在测试前或测试后首先考虑所失败。因此在测试前或测试后首先考虑所用直流电源的放电和充电问题。用直流电源的放电和充电问题。6.5 严
43、格按照实验方法与步骤进行操作。严格按照实验方法与步骤进行操作。6.6 做好实验数据的统计分析；做好实验数据的统计分析；实验五 原地纵跳实验1. 实验目的与要求实验目的与要求1.1 实验目的实验目的1.1.1 培养学生将所学的力学、肌肉力学及人体整体动作原培养学生将所学的力学、肌肉力学及人体整体动作原理的理论，运用理的理论，运用于分析人体基本动作为分析运动动作技术打下基础。于分析人体基本动作为分析运动动作技术打下基础。1.1.2 了解在实验室中配套使用的仪器名称、性能及操作流了解在实验室中配套使用的仪器名称、性能及操作流程。通过观察实验老师的操作及自己对动念曲线的分析，初程。通过观察实验老师的操
44、作及自己对动念曲线的分析，初步培养进行生物力学研究的能力。步培养进行生物力学研究的能力。1.1.3 通过对原地纵跳三维支撑反作用力动态曲线的分析，通过对原地纵跳三维支撑反作用力动态曲线的分析，对原地纵跳的动力学特征有进一步的认识。巩固人体运动生对原地纵跳的动力学特征有进一步的认识。巩固人体运动生物力学课堂教学效果。物力学课堂教学效果。1.1.4 通过原地纵跳实验，掌握三维测力台的使用方法及分通过原地纵跳实验，掌握三维测力台的使用方法及分析下肢肌肉收缩特性与类型。析下肢肌肉收缩特性与类型。1.2 实验要求实验要求1.2.1 纵跳的测定要简单、灵敏，具有可操作性，纵跳的测定要简单、灵敏，具有可操作
45、性，设计方案要科学合理，要有实效性。设计方案要科学合理，要有实效性。1.2.2 学生必须阅读一定的文献资料，在教师的指学生必须阅读一定的文献资料，在教师的指导下独立自主完成实验方案的设计。导下独立自主完成实验方案的设计。1.2.3 尽可能利用现有的仪器、设备设计实验，并尽可能利用现有的仪器、设备设计实验，并能对所选择对象的具体情况客观分析，实验操作时能对所选择对象的具体情况客观分析，实验操作时要严肃认真，注意安全。要严肃认真，注意安全。1.2.4 实验设计必须包括：所选择纵跳测定的方法、实验设计必须包括：所选择纵跳测定的方法、结果分析。结果分析。1.2.5 将整个实验内容写成小论文形式，分实验
46、小将整个实验内容写成小论文形式，分实验小组进行报告。组进行报告。 2. 实验原理与应用实验原理与应用2.1 实验原理实验原理2.1.1 竖直上抛公式竖直上抛公式2.1.2 牛顿第二定律牛顿第二定律 F=ma2.1.3 肌肉收缩的力学原理肌肉收缩的力学原理 2.1.4 ：三维测力台原理：三维测力台原理 三维测力台是标称尺寸为三维测力台是标称尺寸为500 mm x 500 mm、750 mm750 mm以及以及450 mm900 mm的平台。的平台。在平台的下面和侧面固定有若干组压力传感器，与在平台的下面和侧面固定有若干组压力传感器，与底座连成一体。当人体在平台上完成各种踏跳动作底座连成一体。当人
47、体在平台上完成各种踏跳动作时，通过传感器可以独立测定人体作用于台面的三时，通过传感器可以独立测定人体作用于台面的三个正交方向上的压力。也就是人体所受到个正交方向上的压力。也就是人体所受到x、y、z方向上的支撑反作用。压力传感器一般采用电阻应方向上的支撑反作用。压力传感器一般采用电阻应变片、半导体应变片或压电晶体应变片。各种应变变片、半导体应变片或压电晶体应变片。各种应变片的作用都是把非电量的力的变化转换成应变片的片的作用都是把非电量的力的变化转换成应变片的变形，从而使电阻应变片的电阻值发生相应变化。变形，从而使电阻应变片的电阻值发生相应变化。电阻应变仪将此电阻变化转化为电压电阻应变仪将此电阻变
48、化转化为电压(或电流或电流)的变的变化，并进行放大，然后由记录器记录下来，许换算化，并进行放大，然后由记录器记录下来，许换算成应变值。其工作过程如下：成应变值。其工作过程如下： 应变应变电阻变化电阻变化电流电流(或电压或电压)变化变化放大放大记记录。录。 以电阻应变片的工作原理为例。电阻应变以电阻应变片的工作原理为例。电阻应变片在欲测量的力的作用下，产生相对形变，片在欲测量的力的作用下，产生相对形变，如该变形局限在电阻丝材料的弹性极限内，如该变形局限在电阻丝材料的弹性极限内，则必然遵守胡克定律即变形与所受电阻丝则必然遵守胡克定律即变形与所受电阻丝的电阻值为：的电阻值为：其中：其中：L电阻丝的长
49、度电阻丝的长度 S电阻丝的截面积电阻丝的截面积 a电阻丝的温度系数电阻丝的温度系数 t形变前后的温度差（如果形变前后形变前后的温度差（如果形变前后的温度差相当小，这项可以忽略不计）。的温度差相当小，这项可以忽略不计）。 由于电阻丝的轴向相对变形发生在胡克定律的许由于电阻丝的轴向相对变形发生在胡克定律的许可范围内，其绝对形变的数值有限，由轴向伸长或可范围内，其绝对形变的数值有限，由轴向伸长或缩短引起的径向收缩或扩展微乎其微，电阻丝截面缩短引起的径向收缩或扩展微乎其微，电阻丝截面积积S的变化同样可忽略不计。电阻丝的电阻系数对的变化同样可忽略不计。电阻丝的电阻系数对同一材料也是恒量。同一材料也是恒量
50、。 综上所述，测力台受外力作用产生应力，该应力综上所述，测力台受外力作用产生应力，该应力导致传感器中应变长度导致传感器中应变长度L值相应地变化了，在测值相应地变化了，在测力台的量程范围内，力台的量程范围内，L/L与与F呈线性关系，与呈线性关系，与L/L的几何变化相对应，电阻应变片的电阻的几何变化相对应，电阻应变片的电阻R/R也发生变化吗，也发生变化吗， R/R与与L/L亦呈线性关系，测亦呈线性关系，测量应变片电阻值的变化，就可测出相应的力值。这量应变片电阻值的变化，就可测出相应的力值。这种把非电量的力值改换为电量的关系，称为种把非电量的力值改换为电量的关系，称为“应变应变效应效应”，工程上定义
