数码相机在物理演示实验中的巧用
     叶文义（隆山高级中学   浙江瑞安  325200）
摘 要：本文以《平抛物体的运动》一课教学为例，介绍了数码相机在物理演示实验中两种巧妙的运用：一、利用数码相机并配合视频投影系统对演示实验进行现场摄像，实拍实放。二、利用数码相机的“多段”的神奇拍摄功能来拍摄、分析、研究高速运动的物体。

    关键词：数码相机   平抛     摄像   

随着我国教育体制改革不断深化的步伐，物理教育改革也发展迅速，其中不仅涉及教学内容、教学形式、教学艺术等方面的革新，而且教学手段的现代化、多样化也逐渐成为物理教育改革的重要方面。当前丰富多彩的社会生活中，数码相机的普遍应用已经成为人们生活、工作中不可缺少的得力助手，如何将数码相机的应用引入到物理课堂教学中来，成为一种新型的教学手段，也正是物理教育改革的重要课题之一。笔者根据自己这几年的尝试，发现在课堂教学中特别在演示实验教学中，引入数码相机（带“多段”拍摄功能、摄像功能及视频输出）则会有意想不到的教学效果。下面以《平抛物体的运动》一课教学为例谈谈具体的应用。
在《平抛物体的运动》一课的教学中，平抛运动是怎样分解为水平方向的匀速直线运动和竖直方向的自由落体运动的？这是教学的重点和难点，要克服这个重点和难点则必需做好相关的演示实验，在教材中设置如图1所示的演示实验和提供如图2所示的频闪照片。
                                   
图1                                   图2     
而图1中的演示实验中物体运动太快，学生无法清楚的观察中间的运动过程，只能凭落地时的一个声音来粗略的判断竖直方向是自由落体，更加无法判断水平方向是匀速直线运动。对于这样图2所示的频闪照片，它的缺点在于在拍摄过程中对实验仪器要求较高（需要高精度、高频率的频闪闪光灯），操作过程复杂（严格地说必须在暗室中拍摄，而且有一些具体的摄影专业问题），如果是传统摄影，还需要有一个冲洗等待的过程，其制作过程复杂，不利做课堂演示。而且学生看到的只是一张事先准备好的照片，缺乏真实感和直接感。 在这样的教学方法下，这节课大部分只能是的理论宣讲，学生无法做到通过观察实验、分析实验而自主得出结论，只能凭借自身的能力水平想象该实验的过程和结果，导致学生对平抛运动的分解和规律也只能是机械接受，整节课的教学效果不会太理想。如能巧妙的在演示中引入数码相机，则对突破这一教学难点，会有意想不到的效果。下面具体介绍数码相机在演示平抛运动的两种方法。
一、利用数码相机并配合视频投影系统对平抛运动实验进行现场摄像，实拍实放。
笔者根据教材的内容，对演示实验如图3所示进行改进：把两条一模一样得较光滑得斜槽一高一低固定在竖直演示板左侧，在右上角固定一电磁铁。 
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                         图3
演示时利用数码相机（带摄像功能、视频输出）对演示实验进行现场摄像，实拍实放，引导学生观察、分析“慢镜头”录像片段，从中得出平抛运动的规律，再从而完成该课的课堂教学，则取得较好的效果。具体操作分为以下几步：
    1．准备实验仪器和摄像系统器材的选择和连接：演示实验装置如图3所示平放在水平桌面上。准备两个一模一样得铁球。选择高、中档（带摄像功能及视频输出）的数码照相机，自带监视彩屏，装有50万—300万像素、较大尺寸CCD传感器，能达到更高的清晰度。。高、中机装有3X-30X光学变焦镜头，且自动、手动功能齐全。把数码相机直接安装在蛇形管或可调照明灯支架上。将数码相机的信号输出端用屏蔽导线连接到计算机或直接连接到视频投影仪上。
   2．演示、拍摄、播放“平抛运动竖直方向是自由落体运动”的实验：取两个一样的的小球，一个放在装置左上角斜槽（较光滑）的某一高度用磁铁吸住，另一个放在装置右角相同的高度用磁铁吸住。用开关自动控制：当个小球离开斜槽末端瞬间，另一个小球同时下落，一个做平抛运动，一个做自由落体运动，从背景方格纸可以看出他们在下落的整个过程中几乎都在同一水平线上，最后同时落地。整个实验过程用数码相机拍下，学生观察实物演示后，再让学生直接观察录像，然后对录像片的“慢放”分析，启发学生分析并让学生自己总结出平抛运动在竖直方向是自由落体运动。以下（图4——6）是录像片慢放时的几个镜头。
            
图4                      图5                    图6
    3．演示、拍摄、播放平抛运动竖直方向是水平匀速直线运动：取两个一样的的小球，一个放在装置左上角斜槽的离水平末段端某一高度用磁铁吸住，另一个放在装置左下角相同斜槽离水平末段相同的高度用磁铁吸住。用开关控制让两个小球同时下落，一个做平抛运动，一个做近视匀速直线运动，从背景方格纸可以看出他们在运动的整个过程中几乎都在同一竖直线上，最后同时到达右边小网袋。整个实验过程用数码相机拍下，学生观察实物演示后，再让学生直接观察录像，然后对录像片的“慢放”分析，启发学生分析并让学生自己总结出平抛运动在水平方向是匀速直线运动。以下（图7——10）是录像片慢放时的几个镜头。
                          
      图7                                               图8                 
 
                         
图9                                          图10
       利用数码相机进行拍摄时要注意以下几点：
1. 拍摄时光源既为摄像配光也要有利于学生观察实验，可用日光色高频电子镇流高效节能灯或更大功率得白炽灯，特殊部位得照明有时需要小功率白炽射灯。所有光源均应配装合适得灯罩，以防光线直射数码相机镜头或学生得眼睛。
2. 用数码相机拍摄小球得运动过程，要注意背景和小球之间的反差要大，拍摄时可直接安装在蛇形管或可调照明灯支架上或用三角架，保证相机静止不动。
二、利用数码相机的“多段”的神奇拍摄功能来拍摄、分析平抛运动实验。
所谓“多段”的神奇拍摄模式，具体地说，就是能够在0.5秒内连续拍摄16幅照片，即每隔三十分之一秒拍摄一幅照片，这是极为难得的功能（中、高档的数码相机如型号为SONY-T1索尼相机就有）。只不过在这种拍摄模式下，图片的质量要有所下降，500万象素的照相机，此时每幅照片的象素仅为10万左右（这也是专业数码相机不设这一功能的原因），但对于我们中学物理实验来说，这已经足够了。如图11就是用这一拍摄模式拍摄的平抛运动的照片。而图12是利用Photoshop软件将多个影像合成为同一幅照片后得到的结果，引导学生经数据分析证明，水平方向是匀速运动，竖直方向是匀变速运动，而且可以测出其加速度约为9.7m/s2。









在具体拍摄过程中要注意以下几点。
1、拍摄时间间隔可以选择，如笔者的SONY-T1就有每秒30幅、15幅和7.5幅三种选择，但无论哪一种，每一次都只能连续拍摄16幅照片，因而每一种所能连续拍摄的时间是不一样的，其中每秒30幅能持续拍摄0.5秒，每秒15幅能持续拍摄1秒，每秒7.5幅能持续拍摄2秒，由于能持续拍摄的时间都很短，所以都必须注意拍摄时机的把握，好在数码相机不需要胶片，不行就重新拍。也有部分相机能持续拍摄很长时间，那就更好了。
3、由于拍摄对象是运动物体，所以如果快门速度太慢，拍摄得到的影像就会出现模糊现象，这时需要提高快门速度。当然很多数码相机都是傻瓜照相机，不能进行光圈快门的控制，这时解决的主要方法有：提高拍摄环境的亮度和提高感光度（ISO）设定。如果还不能解决问题，可以使用曝光补偿，以照片曝光不足为代价，来提高快门速度。
4．这种“多段”的神奇拍摄功能也可以配合视频投影系统进行实拍实放，更加具有真实感。
从《平抛物体的运动》一课教学过程的实际效果来看，引入数码相机的摄像功能和“多段”的神奇拍摄功能演示、分析实验为该课的课堂教学创造了更加形象、直观的教学效果，能够吸引学生认知物理知识的浓厚兴趣，对所学知识留有深刻的印象。
数码相机的“多段”的神奇拍摄功能除了在研究平抛运动以外，还可以研究自由落体运动、简谐运动、动量守恒等高速运动的物体. 其中研究动量守恒的实验中，如果物体碰撞后出现反向运动，就很难用频闪摄影来完成了，因为往复运动会使多个影像在同一底片上进行复杂的叠加从而难以辨认，而使用这种“多段”的神奇拍摄功能模式拍摄的照片就不存在这一问题，因为它是连续拍摄多幅照片的。
而数码相机的视频拍摄除了拍摄高速运动物体之外，也用它来拍摄暗环境下干涉、衍射条纹以及示波器波形摄像甚至进行显微镜视场摄像，如在 “布朗运动”演示实验中，将带有摄像功能的数码照相机调试完后与光学通道对接插入立体显微镜摄影接口上，或拔除一个观察目镜插入目镜筒内，将数码相机的信号输出端用屏蔽导线连接到一台大屏幕电视机上，或者连接到视频投影仪上。这样，在大屏幕电视或投影银幕上就可以看到“布朗运动”的大幅画面——大量的黄广告色悬浮颗粒一直做无规律运动。课堂上，同学们在老师指导下，认真观察、分析这些画面，记录某一颗粒在不同时刻的运动轨迹，进行热烈的讨论，加深对布朗运动实质的理解，所有这一切仅用几分钟就完成了，既节省了时间，亦取得了很好的教学效果。
数码相机的摄像功能和“多段”的神奇拍摄功能除了实拍实放外，还可以将拍摄的内容通过视频采集卡采集到计算机中，利用非线性编辑软件Premeiere 6.0编辑成视频文件，再用投影仪投放到银幕上，适合做课堂演示，效果非常好。
总之，在课堂教学演示实验中引入数码相机，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在某些实验方面的缺陷，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一项创新，将对教育改革和发展起到积极的推动作用。


参考文献：
1. 钱汝兰  物理教学演示的视频拍摄  物理教学探讨 2004,第8期
2. 张  杰  牟其善  多媒体技术在频闪照像法实验中的应用    物理实验 2004,第12期