利用數碼單反相機和頻閃光源拍攝高中物理實驗的自由落體運動的過程方法

數碼相機在物理演示實驗中的巧用葉文義隆山高級中學 浙江瑞安 325200摘 要:本文以《平拋物體的運動》一課教學為例，介紹了數碼相機在物理演示實驗中兩種巧妙的運用:一、利用數碼相機并配合視頻投影系統(tǒng)對演示實驗進行現場攝像，實拍實放。二、利用數碼相機的“多段”的神奇拍攝功能來拍攝、分析、研究高速運動的物體。關鍵詞:數碼相機 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，其中不僅涉及教學內容、教學形式、教學藝術等方面的革新，而且教學手段的現代化、多樣化也逐漸成為物理教育改革的重要方面。當前豐富多彩的社會生活中，數碼相機的普遍應用已經成為人們生活、工作中不可缺少的得力助手，如何將數碼相機的應用引入到物理課堂教學中來，成為一種新型的教學手段，也正是物理教育改革的重要課題之一。筆者根據自己這幾年的嘗試，發(fā)現在課堂教學中特別在演示實驗教學中，引入數碼相機帶“多段”拍攝功能、攝像功能及視頻輸出則會有意想不到的教學效果。下面以《平拋物體的運動》一課教學為例談談具體的應用。在《平拋物體的運動》一課的教學中，平拋運動是怎樣分解為水平方向的勻速直線運動和豎直方向的自由落體運動的？這是教學的重點和難點，要克服這個重點和難點則必需做好相關的演示實驗，在教材中設置如圖1所示的演示實驗和提供如圖2所示的頻閃照片。圖1 圖2 而圖1中的演示實驗中物體運動太快，學生無法清楚的觀察中間的運動過程，只能憑落地時的一個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動。對于這樣圖2所示的頻閃照片，它的缺點在于在拍攝過程中對實驗儀器要求較高需要高精度、高頻率的頻閃閃光燈，操作過程復雜嚴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，還需要有一個沖洗等待的過程，其制作過程復雜，不利做課堂演示。而且學生看到的只是一張事先準備好的照片，缺乏真實感和直接感。 在這樣的教學方法下，這節(jié)課大部分只能是的理論宣講，學生無法做到通過觀察實驗、分析實驗而自主得出結論，只能憑借自身的能力水平想象該實驗的過程和結果，導致學生對平拋運動的分解和規(guī)律也只能是機械接受，整節(jié)課的教學效果不會太理想。如能巧妙的在演示中引入數碼相機，則對突破這一教學難點，會有意想不到的效果。下面具體介紹數碼相機在演示平拋運動的兩種方法。一、利用數碼相機并配合視頻投影系統(tǒng)對平拋運動實驗進行現場攝像，實拍實放。筆者根據教材的內容，對演示實驗如圖3所示進行改進: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，在右上角固定一電磁鐵。， 圖3演示時利用數碼相機帶攝像功能、視頻輸出對演示實驗進行現場攝像，實拍實放，引導學生觀察、分析“慢鏡頭”錄像片段，從中得出平拋運動的規(guī)律，再從而完成該課的課堂教學，則取得較好的效果。具體操作分為以下幾步:1．準備實驗儀器和攝像系統(tǒng)器材的選擇和連接:演示實驗裝置如圖3所示平放在水平桌面上。準備兩個一模一樣得鐵球。選擇高、中檔帶攝像功能及視頻輸出的數碼照相機，自帶監(jiān)視彩屏，裝有50萬—300萬像素、較大尺寸CCD傳感器，能達到更高的清晰度。。高、中機裝有3X-30X光學變焦鏡頭，且自動、手動功能齊全。把數碼相機直接安裝在蛇形管或可調照明燈支架上。將數碼相機的信號輸出端用屏蔽導線連接到計算機或直接連接到視頻投影儀上。2．演示、拍攝、播放“平拋運動豎直方向是自由落體運動”的實驗:取兩個一樣的的小球，一個放在裝置左上角斜槽較光滑的某一高度用磁鐵吸住，另一個放在裝置右角相同的高度用磁鐵吸住。用開關自動控制:當第一個小球離開斜槽末端瞬間，另一個小球同時下落，一個做平拋運動，一個做自由落體運動，從背景方格紙可以看出他們在下落的整個過程中幾乎都在同一水平線上，最后同時落地。整個實驗過程用數碼相機拍下，學生觀察實物演示后，再讓學生直接觀察錄像，然后對錄像片的“慢放”分析，啟發(fā)學生分析并讓學生自己總結出平拋運動在豎直方向是自由落體運動。以下圖4——6是錄像片慢放時的幾個鏡頭。圖4 圖5 圖63．演示、拍攝、播放平拋運動豎直方向是水平勻速直線運動:取兩個一樣的的小球，一個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。用開關控制讓兩個小球同時下落，一個做平拋運動，一個做近視勻速直線運動，從背景方格紙可以看出他們在運動的整個過程中幾乎都在同一豎直線上，最后同時到達右邊小網袋。整個實驗過程用數碼相機拍下，學生觀察實物演示后，再讓學生直接觀察錄像，然后對錄像片的“慢放”分析，啟發(fā)學生分析并讓學生自己總結出平拋運動在水平方向是勻速直線運動。以下圖7——10是錄像片慢放時的幾個鏡頭。圖7 圖8 圖9 圖10利用數碼相機進行拍攝時要注意以下幾點:1. 拍攝時光源既為攝像配光也要有利于學生觀察實驗，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需要小功率白熾射燈。所有光源均應配裝合適得燈罩，以防光線直射數碼相機鏡頭或學生得眼睛。2. 用數碼相機拍攝小球得運動過程，要注意背景和小球之間的反差要大，拍攝時可直接安裝在蛇形管或可調照明燈支架上或用三角架，保證相機靜止不動。二、利用數碼相機的“多段”的神奇拍攝功能來拍攝、分析平拋運動實驗。所謂“多段”的神奇拍攝模式，具體地說，就是能夠在0.5秒內連續(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、高檔的數碼相機如型號為SONY-T1索尼相機就有。只不過在這種拍攝模式下，圖片的質量要有所下降，500萬象素的照相機，此時每幅照片的象素僅為10萬左右這也是專業(yè)數碼相機不設這一功能的原因，但對于我們中學物理實驗來說，這已經足夠了。如圖11就是用這一拍攝模式拍攝的平拋運動的照片。而圖12是利用Photoshop軟件將多個影像合成為同一幅照片后得到的結果，引導學生經數據分析證明，水平方向是勻速運動，豎直方向是勻變速運動，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。1、拍攝時間間隔可以選擇，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)拍攝的時間都很短，所以都必須注意拍攝時機的把握，好在數碼相機不需要膠片，不行就重新拍。也有部分相機能持續(xù)拍攝很長時間，那就更好了。3、由于拍攝對象是運動物體，所以如果快門速度太慢，拍攝得到的影像就會出現模糊現象，這時需要提高快門速度。當然很多數碼相機都是傻瓜照相機，不能進行光圈快門的控制，這時解決的主要方法有:提高拍攝環(huán)境的亮度和提高感光度ISO設定。如果還不能解決問題，可以使用曝光補償，以照片曝光不足為代價，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)進行實拍實放，更加具有真實感。從《平拋物體的運動》一課教學過程的實際效果來看，引入數碼相機的攝像功能和“多段”的神奇拍攝功能演示、分析實驗為該課的課堂教學創(chuàng)造了更加形象、直觀的教學效果，能夠吸引學生認知物理知識的濃厚興趣，對所學知識留有深刻的印象。數碼相機的“多段”的神奇拍攝功能除了在研究平拋運動以外，還可以研究自由落體運動、簡諧運動、動量守恒等高速運動的物體. 其中研究動量守恒的實驗中，如果物體碰撞后出現反向運動，就很難用頻閃攝影來完成了，因為往復運動會使多個影像在同一底片上進行復雜的疊加從而難以辨認，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，因為它是連續(xù)拍攝多幅照片的。而數碼相機的視頻拍攝除了拍攝高速運動物體之外，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行顯微鏡視場攝像，如在 “布朗運動”演示實驗中，將帶有攝像功能的數碼照相機調試完后與光學通道對接插入立體顯微鏡攝影接口上，或拔除一個觀察目鏡插入目鏡筒內，將數碼相機的信號輸出端用屏蔽導線連接到一臺大屏幕電視機上，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“布朗運動”的大幅畫面——大量的黃廣告色懸浮顆粒一直做無規(guī)律運動。課堂上，同學們在老師指導下，認真觀察、分析這些畫面，記錄某一顆粒在不同時刻的運動軌跡，進行熱烈的討論，加深對布朗運動實質的理解，所有這一切僅用幾分鐘就完成了，既節(jié)省了時間，亦取得了很好的教學效果。數碼相機的攝像功能和“多段”的神奇拍攝功能除了實拍實放外，還可以將拍攝的內容通過視頻采集卡采集到計算機中，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?，在課堂教學演示實驗中引入數碼相機，使課堂演示實驗更加豐富多彩，有效彌補了物理課堂教學中在某些實驗方面的缺陷，比用計算機直接模擬的方法更具有真實、直觀的特點。因此數碼相機的引入是物理課堂教學改革中教學手段的一項創(chuàng)新，將對教育改革和發(fā)展起到積極的推動作用。參考文獻:1. 錢汝蘭 物理教學演示的視頻拍攝 物理教學探討 2004，第8期2. 張 杰 牟其善 多媒體技術在頻閃照像法實驗中的應用 物理實驗 2004，第12期