利用數(shù)碼單反相機(jī)和頻閃光源拍攝高中物理實(shí)驗(yàn)的自由落體運(yùn)動(dòng)的過程方法

數(shù)碼相機(jī)在物理演示實(shí)驗(yàn)中的巧用葉文義隆山高級(jí)中學(xué) 浙江瑞安 325200摘 要:本文以《平拋物體的運(yùn)動(dòng)》一課教學(xué)為例，介紹了數(shù)碼相機(jī)在物理演示實(shí)驗(yàn)中兩種巧妙的運(yùn)用:一、利用數(shù)碼相機(jī)并配合視頻投影系統(tǒng)對演示實(shí)驗(yàn)進(jìn)行現(xiàn)場攝像，實(shí)拍實(shí)放。二、利用數(shù)碼相機(jī)的“多段”的神奇拍攝功能來拍攝、分析、研究高速運(yùn)動(dòng)的物體。關(guān)鍵詞:數(shù)碼相機(jī) 平拋 攝像 隨著我國教育體制改革不斷深化的步伐，物理教育改革也發(fā)展迅速，其中不僅涉及教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)形式、教學(xué)藝術(shù)等方面的革新，而且教學(xué)手段的現(xiàn)代化、多樣化也逐漸成為物理教育改革的重要方面。當(dāng)前豐富多彩的社會(huì)生活中，數(shù)碼相機(jī)的普遍應(yīng)用已經(jīng)成為人們生活、工作中不可缺少的得力助手，如何將數(shù)碼相機(jī)的應(yīng)用引入到物理課堂教學(xué)中來，成為一種新型的教學(xué)手段，也正是物理教育改革的重要課題之一。筆者根據(jù)自己這幾年的嘗試，發(fā)現(xiàn)在課堂教學(xué)中特別在演示實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，引入數(shù)碼相機(jī)帶“多段”拍攝功能、攝像功能及視頻輸出則會(huì)有意想不到的教學(xué)效果。下面以《平拋物體的運(yùn)動(dòng)》一課教學(xué)為例談?wù)劸唧w的應(yīng)用。在《平拋物體的運(yùn)動(dòng)》一課的教學(xué)中，平拋運(yùn)動(dòng)是怎樣分解為水平方向的勻速直線運(yùn)動(dòng)和豎直方向的自由落體運(yùn)動(dòng)的？這是教學(xué)的重點(diǎn)和難點(diǎn)，要克服這個(gè)重點(diǎn)和難點(diǎn)則必需做好相關(guān)的演示實(shí)驗(yàn)，在教材中設(shè)置如圖1所示的演示實(shí)驗(yàn)和提供如圖2所示的頻閃照片。圖1 圖2 而圖1中的演示實(shí)驗(yàn)中物體運(yùn)動(dòng)太快，學(xué)生無法清楚的觀察中間的運(yùn)動(dòng)過程，只能憑落地時(shí)的一個(gè)聲音來粗略的判斷豎直方向是自由落體，更加無法判斷水平方向是勻速直線運(yùn)動(dòng)。對于這樣圖2所示的頻閃照片，它的缺點(diǎn)在于在拍攝過程中對實(shí)驗(yàn)儀器要求較高需要高精度、高頻率的頻閃閃光燈，操作過程復(fù)雜嚴(yán)格地說必須在暗室中拍攝，而且有一些具體的攝影專業(yè)問題，如果是傳統(tǒng)攝影，還需要有一個(gè)沖洗等待的過程，其制作過程復(fù)雜，不利做課堂演示。而且學(xué)生看到的只是一張事先準(zhǔn)備好的照片，缺乏真實(shí)感和直接感。 在這樣的教學(xué)方法下，這節(jié)課大部分只能是的理論宣講，學(xué)生無法做到通過觀察實(shí)驗(yàn)、分析實(shí)驗(yàn)而自主得出結(jié)論，只能憑借自身的能力水平想象該實(shí)驗(yàn)的過程和結(jié)果，導(dǎo)致學(xué)生對平拋運(yùn)動(dòng)的分解和規(guī)律也只能是機(jī)械接受，整節(jié)課的教學(xué)效果不會(huì)太理想。如能巧妙的在演示中引入數(shù)碼相機(jī)，則對突破這一教學(xué)難點(diǎn)，會(huì)有意想不到的效果。下面具體介紹數(shù)碼相機(jī)在演示平拋運(yùn)動(dòng)的兩種方法。一、利用數(shù)碼相機(jī)并配合視頻投影系統(tǒng)對平拋運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行現(xiàn)場攝像，實(shí)拍實(shí)放。筆者根據(jù)教材的內(nèi)容，對演示實(shí)驗(yàn)如圖3所示進(jìn)行改進(jìn):把兩條一模一樣得較光滑得斜槽一高一低固定在豎直演示板左側(cè)，在右上角固定一電磁鐵。， 圖3演示時(shí)利用數(shù)碼相機(jī)帶攝像功能、視頻輸出對演示實(shí)驗(yàn)進(jìn)行現(xiàn)場攝像，實(shí)拍實(shí)放，引導(dǎo)學(xué)生觀察、分析“慢鏡頭”錄像片段，從中得出平拋運(yùn)動(dòng)的規(guī)律，再從而完成該課的課堂教學(xué)，則取得較好的效果。具體操作分為以下幾步:1．準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)儀器和攝像系統(tǒng)器材的選擇和連接:演示實(shí)驗(yàn)裝置如圖3所示平放在水平桌面上。準(zhǔn)備兩個(gè)一模一樣得鐵球。選擇高、中檔帶攝像功能及視頻輸出的數(shù)碼照相機(jī)，自帶監(jiān)視彩屏，裝有50萬—300萬像素、較大尺寸CCD傳感器，能達(dá)到更高的清晰度。。高、中機(jī)裝有3X-30X光學(xué)變焦鏡頭，且自動(dòng)、手動(dòng)功能齊全。把數(shù)碼相機(jī)直接安裝在蛇形管或可調(diào)照明燈支架上。將數(shù)碼相機(jī)的信號(hào)輸出端用屏蔽導(dǎo)線連接到計(jì)算機(jī)或直接連接到視頻投影儀上。2．演示、拍攝、播放“平拋運(yùn)動(dòng)豎直方向是自由落體運(yùn)動(dòng)”的實(shí)驗(yàn):取兩個(gè)一樣的的小球，一個(gè)放在裝置左上角斜槽較光滑的某一高度用磁鐵吸住，另一個(gè)放在裝置右角相同的高度用磁鐵吸住。用開關(guān)自動(dòng)控制:當(dāng)?shù)谝粋€(gè)小球離開斜槽末端瞬間，另一個(gè)小球同時(shí)下落，一個(gè)做平拋運(yùn)動(dòng)，一個(gè)做自由落體運(yùn)動(dòng)，從背景方格紙可以看出他們在下落的整個(gè)過程中幾乎都在同一水平線上，最后同時(shí)落地。整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程用數(shù)碼相機(jī)拍下，學(xué)生觀察實(shí)物演示后，再讓學(xué)生直接觀察錄像，然后對錄像片的“慢放”分析，啟發(fā)學(xué)生分析并讓學(xué)生自己總結(jié)出平拋運(yùn)動(dòng)在豎直方向是自由落體運(yùn)動(dòng)。以下圖4——6是錄像片慢放時(shí)的幾個(gè)鏡頭。圖4 圖5 圖63．演示、拍攝、播放平拋運(yùn)動(dòng)豎直方向是水平勻速直線運(yùn)動(dòng):取兩個(gè)一樣的的小球，一個(gè)放在裝置左上角斜槽的離水平末段端某一高度用磁鐵吸住，另一個(gè)放在裝置左下角相同斜槽離水平末段相同的高度用磁鐵吸住。用開關(guān)控制讓兩個(gè)小球同時(shí)下落，一個(gè)做平拋運(yùn)動(dòng)，一個(gè)做近視勻速直線運(yùn)動(dòng)，從背景方格紙可以看出他們在運(yùn)動(dòng)的整個(gè)過程中幾乎都在同一豎直線上，最后同時(shí)到達(dá)右邊小網(wǎng)袋。整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程用數(shù)碼相機(jī)拍下，學(xué)生觀察實(shí)物演示后，再讓學(xué)生直接觀察錄像，然后對錄像片的“慢放”分析，啟發(fā)學(xué)生分析并讓學(xué)生自己總結(jié)出平拋運(yùn)動(dòng)在水平方向是勻速直線運(yùn)動(dòng)。以下圖7——10是錄像片慢放時(shí)的幾個(gè)鏡頭。圖7 圖8 圖9 圖10利用數(shù)碼相機(jī)進(jìn)行拍攝時(shí)要注意以下幾點(diǎn):1. 拍攝時(shí)光源既為攝像配光也要有利于學(xué)生觀察實(shí)驗(yàn)，可用日光色高頻電子鎮(zhèn)流高效節(jié)能燈或更大功率得白熾燈，特殊部位得照明有時(shí)需要小功率白熾射燈。所有光源均應(yīng)配裝合適得燈罩，以防光線直射數(shù)碼相機(jī)鏡頭或?qū)W生得眼睛。2. 用數(shù)碼相機(jī)拍攝小球得運(yùn)動(dòng)過程，要注意背景和小球之間的反差要大，拍攝時(shí)可直接安裝在蛇形管或可調(diào)照明燈支架上或用三角架，保證相機(jī)靜止不動(dòng)。二、利用數(shù)碼相機(jī)的“多段”的神奇拍攝功能來拍攝、分析平拋運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)。所謂“多段”的神奇拍攝模式，具體地說，就是能夠在0.5秒內(nèi)連續(xù)拍攝16幅照片，即每隔三十分之一秒拍攝一幅照片，這是極為難得的功能中、高檔的數(shù)碼相機(jī)如型號(hào)為SONY-T1索尼相機(jī)就有。只不過在這種拍攝模式下，圖片的質(zhì)量要有所下降，500萬象素的照相機(jī)，此時(shí)每幅照片的象素僅為10萬左右這也是專業(yè)數(shù)碼相機(jī)不設(shè)這一功能的原因，但對于我們中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)來說，這已經(jīng)足夠了。如圖11就是用這一拍攝模式拍攝的平拋運(yùn)動(dòng)的照片。而圖12是利用Photoshop軟件將多個(gè)影像合成為同一幅照片后得到的結(jié)果，引導(dǎo)學(xué)生經(jīng)數(shù)據(jù)分析證明，水平方向是勻速運(yùn)動(dòng)，豎直方向是勻變速運(yùn)動(dòng)，而且可以測出其加速度約為9.7m/s2。在具體拍攝過程中要注意以下幾點(diǎn)。1、拍攝時(shí)間間隔可以選擇，如筆者的SONY-T1就有每秒30幅、15幅和7.5幅三種選擇，但無論哪一種，每一次都只能連續(xù)拍攝16幅照片，因而每一種所能連續(xù)拍攝的時(shí)間是不一樣的，其中每秒30幅能持續(xù)拍攝0.5秒，每秒15幅能持續(xù)拍攝1秒，每秒7.5幅能持續(xù)拍攝2秒，由于能持續(xù)拍攝的時(shí)間都很短，所以都必須注意拍攝時(shí)機(jī)的把握，好在數(shù)碼相機(jī)不需要膠片，不行就重新拍。也有部分相機(jī)能持續(xù)拍攝很長時(shí)間，那就更好了。3、由于拍攝對象是運(yùn)動(dòng)物體，所以如果快門速度太慢，拍攝得到的影像就會(huì)出現(xiàn)模糊現(xiàn)象，這時(shí)需要提高快門速度。當(dāng)然很多數(shù)碼相機(jī)都是傻瓜照相機(jī)，不能進(jìn)行光圈快門的控制，這時(shí)解決的主要方法有:提高拍攝環(huán)境的亮度和提高感光度ISO設(shè)定。如果還不能解決問題，可以使用曝光補(bǔ)償，以照片曝光不足為代價(jià)，來提高快門速度。4．這種“多段”的神奇拍攝功能也可以配合視頻投影系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)拍實(shí)放，更加具有真實(shí)感。從《平拋物體的運(yùn)動(dòng)》一課教學(xué)過程的實(shí)際效果來看，引入數(shù)碼相機(jī)的攝像功能和“多段”的神奇拍攝功能演示、分析實(shí)驗(yàn)為該課的課堂教學(xué)創(chuàng)造了更加形象、直觀的教學(xué)效果，能夠吸引學(xué)生認(rèn)知物理知識(shí)的濃厚興趣，對所學(xué)知識(shí)留有深刻的印象。數(shù)碼相機(jī)的“多段”的神奇拍攝功能除了在研究平拋運(yùn)動(dòng)以外，還可以研究自由落體運(yùn)動(dòng)、簡諧運(yùn)動(dòng)、動(dòng)量守恒等高速運(yùn)動(dòng)的物體. 其中研究動(dòng)量守恒的實(shí)驗(yàn)中，如果物體碰撞后出現(xiàn)反向運(yùn)動(dòng)，就很難用頻閃攝影來完成了，因?yàn)橥鶑?fù)運(yùn)動(dòng)會(huì)使多個(gè)影像在同一底片上進(jìn)行復(fù)雜的疊加從而難以辨認(rèn)，而使用這種“多段”的神奇拍攝功能模式拍攝的照片就不存在這一問題，因?yàn)樗沁B續(xù)拍攝多幅照片的。而數(shù)碼相機(jī)的視頻拍攝除了拍攝高速運(yùn)動(dòng)物體之外，也用它來拍攝暗環(huán)境下干涉、衍射條紋以及示波器波形攝像甚至進(jìn)行顯微鏡視場攝像，如在 “布朗運(yùn)動(dòng)”演示實(shí)驗(yàn)中，將帶有攝像功能的數(shù)碼照相機(jī)調(diào)試完后與光學(xué)通道對接插入立體顯微鏡攝影接口上，或拔除一個(gè)觀察目鏡插入目鏡筒內(nèi)，將數(shù)碼相機(jī)的信號(hào)輸出端用屏蔽導(dǎo)線連接到一臺(tái)大屏幕電視機(jī)上，或者連接到視頻投影儀上。這樣，在大屏幕電視或投影銀幕上就可以看到“布朗運(yùn)動(dòng)”的大幅畫面——大量的黃廣告色懸浮顆粒一直做無規(guī)律運(yùn)動(dòng)。課堂上，同學(xué)們在老師指導(dǎo)下，認(rèn)真觀察、分析這些畫面，記錄某一顆粒在不同時(shí)刻的運(yùn)動(dòng)軌跡，進(jìn)行熱烈的討論，加深對布朗運(yùn)動(dòng)實(shí)質(zhì)的理解，所有這一切僅用幾分鐘就完成了，既節(jié)省了時(shí)間，亦取得了很好的教學(xué)效果。數(shù)碼相機(jī)的攝像功能和“多段”的神奇拍攝功能除了實(shí)拍實(shí)放外，還可以將拍攝的內(nèi)容通過視頻采集卡采集到計(jì)算機(jī)中，利用非線性編輯軟件Premeiere 6.0編輯成視頻文件，再用投影儀投放到銀幕上，適合做課堂演示，效果非常好?？傊谡n堂教學(xué)演示實(shí)驗(yàn)中引入數(shù)碼相機(jī)，使課堂演示實(shí)驗(yàn)更加豐富多彩，有效彌補(bǔ)了物理課堂教學(xué)中在某些實(shí)驗(yàn)方面的缺陷，比用計(jì)算機(jī)直接模擬的方法更具有真實(shí)、直觀的特點(diǎn)。因此數(shù)碼相機(jī)的引入是物理課堂教學(xué)改革中教學(xué)手段的一項(xiàng)創(chuàng)新，將對教育改革和發(fā)展起到積極的推動(dòng)作用。參考文獻(xiàn):1. 錢汝蘭 物理教學(xué)演示的視頻拍攝 物理教學(xué)探討 2004，第8期2. 張 杰 牟其善 多媒體技術(shù)在頻閃照像法實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用 物理實(shí)驗(yàn) 2004，第12期