用数码单反相机和频闪光源拍摄高中物理实验中自由落体运动的处理方法
叶(浙江瑞安龙山中学325200)
摘要:本文以《平抛物体的运动》课程的教学为例，介绍了数码相机在物理演示实验中的两个巧妙应用:一是利用数码相机和视频投影系统对演示实验进行现场拍照，并拍摄播放。二、利用数码相机的“多段”神奇拍摄功能，拍摄、分析、研究高速运动的物体。
关键词:数码相机平板投影相机
随着我国教育体制改革的不断深入，物理教育改革也发展迅速，不仅涉及到教学内容、教学形式和教学艺术的创新，而且教学方法的现代化和多样化也逐渐成为物理教育改革的一个重要方面。目前，数码相机的广泛应用已经成为人们生活和工作中不可或缺的助手。如何将数码相机的应用引入物理课堂教学已成为一种新的教学方式，也是物理教育改革的重要课题之一。根据自己近几年的尝试，发现数码相机(具有“多段”拍摄功能、摄像功能、视频输出)的引入，在课堂教学中，尤其是演示实验教学中，会产生意想不到的教学效果。下面以《平抛物体的运动》这门课的教学为例，来谈谈具体的应用。
《平抛物体的运动》课程教学中，平抛运动是如何分解为水平匀速直线运动和垂直自由落体运动的？这是教学的重点和难点。要克服这个重点和难点，需要做好相关演示实验，设置教材中图1所示的演示实验，并提供图2所示的频闪照片。
图1图2
图1演示实验中，物体移动速度过快，学生无法清晰观察中间的移动过程。他们只能通过落地时的一个声音大致判断垂直方向是自由落体，更不可能判断水平方向是匀速直线运动。如图2这样的频闪照片，其缺点是拍摄过程中对实验仪器的要求较高(需要高精度、高频率的频闪闪光灯)，操作过程复杂(严格来说必须在暗室中拍摄，还有一些具体的摄影专业问题)。如果是传统摄影，需要一个洗、等的过程，制作过程复杂，不利于课堂演示。而且学生看到的只是一张事先准备好的照片，缺乏真实感和直接性。在这种教学方式下，这堂课大部分只能是理论说教，学生无法通过观察分析实验得出结论。他们只能凭借自己的能力水平去想象实验的过程和结果，导致学生机械地接受平抛动作的分解和规律，整堂课的教学效果也不会很理想。如果能将数码相机巧妙地引入演示，对突破这一教学难点会有意想不到的效果。下面详细介绍用数码相机演示平抛动作的两种方法。
1.利用数码相机和视频投影系统现场拍摄平抛运动实验，并拍摄播放。
根据教材内容，作者对演示实验进行了改进，如图3所示:在垂直演示板的左侧固定两个相同且光滑的滑槽，一高一低，右上角固定一块电磁铁。
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图3
在演示过程中，利用数码相机(具有摄像功能和视频输出)对演示实验进行现场拍摄、拍摄和播放，引导学生观察和分析“慢动作”的视频片段，从中得出平抛运动的规律，进而完成该课程的课堂教学，取得良好的效果。具体操作分为以下步骤:
1.准备实验仪器和摄像系统设备的选择和连接:演示实验装置平放在水平桌面上，如图3所示。准备两个相同的铁球。选择高端和中档(带摄像功能和视频输出)数码相机，自带监控彩屏和更大的50万-300万像素CCD传感器，可以达到更高的清晰度。。高、中型机器配备3X-30X光学变焦镜头，具有完整的自动和手动功能。将数码相机直接安装在蛇形管或可调照明支架上。用屏蔽线将数码相机的信号输出端连接到电脑或直接连接到视频投影仪。
2.演示、拍摄、播放“平抛运动的垂直方向为自由落体运动”实验:取两个相同的球，一个放在装置左上角的滑槽(光滑的)一定高度处，用磁铁吸引，另一个放在装置右上角的相同高度处，用磁铁吸引。开关自动控制:当第一个球离开滑道末端时，另一个球同时下落，一个做平抛运动，一个做自由落体运动。从背景网格纸可以看出，它们在整个下落过程中几乎处于同一水平，最后同时落地。整个实验都被数码相机拍摄了下来。学生观察完实物演示后，直接观察视频，然后分析视频的“慢放”，启发学生分析，让他们总结出水平投掷运动是垂直方向的自由落体运动。下面(图4-6)是视频慢速播放时的几个镜头。
图4图5图6
3.示范、投篮、打球:平抛运动的垂直方向为水平匀速直线运动:取两个相同的球，一个放在距水平端末端一定高度的装置左上角，另一个用磁铁放在距水平端相同高度的装置左下角。开关用来控制两个球同时下落，一个做平抛运动，一个做近视匀速直线运动。从背景网格纸可以看出，整个运动过程中它们几乎在同一条垂直线上，最后同时到达右边的小网袋。整个实验都被数码相机拍摄了下来。学生观察完实物演示后，直接观察视频，然后分析视频的“慢放”，启发学生分析，让他们总结出平抛运动是水平方向的匀速直线运动。以下(图7-10)是视频慢速播放时的几个镜头。
图7图8
图9图10
使用数码相机拍摄时，请注意以下几点:
1.拍摄时，光源不仅要用于相机配光，还要有利于学生观察实验。日光色高频电子镇流器可采用高效节能灯或功率较高的白炽灯，特殊部位照明有时需要小功率白炽灯射灯。所有光源应配备合适的灯罩，以防止光线直接照射数码相机的镜头或学生的眼睛。
2.用数码相机拍摄球的运动过程时，需要注意背景和球的反差大。拍摄时可直接安装在蛇形管或可调照明支架或三脚架上，保证相机静止。
二、利用数码相机的“多段”神奇拍摄功能，拍摄并分析平抛运动实验。
所谓的“多段”魔拍模式，具体来说就是能够在0.5秒内连续拍摄16张照片，也就是每三十分之一秒拍一张照片，这是一个极其罕见的功能(索尼-T1相机等中高端数码相机都有)。只是在这种拍摄模式下，画面质量会有所降低。对于一个500万像素的相机来说，每张照片的像素只有65438+百万左右(这也是专业数码相机没有这个功能的原因)，但这对于我们的中学物理实验来说已经足够了。如图11，就是这种拍摄模式拍出来的平抛运动照片。图12是Photoshop软件将多幅图像合成为同一张照片的结果，引导学生证明水平方向为匀速运动，垂直方向为匀速运动，可测得加速度约为9.7m/s2。
具体拍摄过程中注意以下几点。
1，拍摄时间间隔可选。比如索尼-T1有三种选择:每秒30张，15张，7.5张，但是不管是哪一种，一次只能连拍16张，所以每张的连拍时间不一样，每秒30张可以连拍0.5张。15张每秒可以连续拍1秒，7.5张每秒可以连续拍2秒。因为连拍的时间很短，所以大家一定要注意拍摄的时机。还好数码相机不用胶卷，可以再拍。有些相机可以长时间保持拍摄，那就更好了。
3.因为拍摄对象是运动的物体，如果快门速度太慢，拍摄出来的图像会比较模糊，所以需要提高快门速度。当然很多数码相机都是傻瓜相机，控制不了光圈快门。这时候主要的解决方法是:提高拍摄环境的亮度，提高感光度(ISO)设置。如果问题解决不了，可以用曝光补偿来提高快门速度，代价是照片曝光不足。
4.这种“多阶段”的神奇拍摄功能，还可以配合视频投影系统进行真实拍摄和回放，更加真实。
从《平抛物体的运动》课程教学过程的实际效果来看，数码相机的摄像功能和“多段式”神奇拍摄功能演示与分析实验的引入，为该课程的课堂教学创造了更加生动直观的教学效果，能够吸引学生对认知物理知识的浓厚兴趣，对所学知识留下深刻印象。
数码相机“多段”的神奇拍摄功能，不仅可以研究平抛运动，还可以研究自由落体运动、简谐运动、动量守恒等高速运动物体。在动量守恒实验中，用频闪摄影很难完成，因为往复运动使多个图像叠加在同一个底片上，很难识别，用这种“多段”神奇拍摄功能模式拍摄的照片是不存在的。
数码相机除了拍摄高速运动的物体，还用于拍摄黑暗环境下的干涉、衍射条纹、示波器波形甚至显微镜视野。比如布朗运动的演示实验，调试后将具有摄像功能的数码相机与光通道对接，插入立体显微镜摄像接口，或者拔出观察目镜，插入目镜筒，数码相机的信号输出端用屏蔽线连接大屏幕电视或视频投影仪。这样就可以在大屏幕电视或投影屏幕上看到“布朗运动”的大画面——大量黄色广告色的悬浮颗粒一直在不规则地运动。课堂上，同学们在老师的指导下，仔细观察分析这些图片，记录下一个质点在不同时刻的运动轨迹，展开热烈的讨论，加深了对布朗运动本质的理解。这一切都在短短几分钟内完成，不仅节省了时间，还取得了良好的教学效果。
数码相机的拍摄功能和“多段”的神奇拍摄功能，不仅可以拍摄和播放，还可以通过视频采集卡将拍摄的内容捕捉到电脑中，利用非线性编辑软件Premeiere 6.0编辑成视频文件，再通过投影仪放到屏幕上，适合课堂演示，效果非常好。
总之，将数码相机引入课堂教学演示实验，使课堂演示实验更加丰富多彩，有效弥补了物理课堂教学中某些实验的缺陷，比用计算机直接模拟的方法更具有真实、直观的特点。因此，数码相机的引入是物理课堂教学改革中教学手段的创新，将对教育改革和发展起到积极的推动作用。
参考资料:
1.钱汝兰《物理教学示范》2004年第8期视频拍摄物理教学的探讨
2.张杰、牟启山多媒体技术在频闪摄影实验中的应用物理实验2004，12。