葉(浙江瑞安龍山中學325200)
摘要:本文以《平拋物體的運動》課程的教學為例，介紹了數碼相機在物理演示實驗中的兩個巧妙應用:壹是利用數碼相機和視頻投影系統對演示實驗進行現場拍照，並拍攝播放。二、利用數碼相機的“多段”神奇拍攝功能，拍攝、分析、研究高速運動的物體。
關鍵詞:數碼相機平板投影相機
隨著我國教育體制改革的不斷深入，物理教育改革也發展迅速，不僅涉及到教學內容、教學形式和教學藝術的創新，而且教學方法的現代化和多樣化也逐漸成為物理教育改革的壹個重要方面。目前，數碼相機的廣泛應用已經成為人們生活和工作中不可或缺的助手。如何將數碼相機的應用引入物理課堂教學已成為壹種新的教學方式，也是物理教育改革的重要課題之壹。根據自己近幾年的嘗試，發現數碼相機(具有“多段”拍攝功能、攝像功能、視頻輸出)的引入，在課堂教學中，尤其是演示實驗教學中，會產生意想不到的教學效果。下面以《平拋物體的運動》這門課的教學為例，來談談具體的應用。
《平拋物體的運動》課程教學中，平拋運動是如何分解為水平勻速直線運動和垂直自由落體運動的？這是教學的重點和難點。要克服這個重點和難點，需要做好相關演示實驗，設置教材中圖1所示的演示實驗並提供圖2所示的頻閃照片。
圖1圖2
圖1演示實驗中，物體移動速度過快，學生無法清晰觀察中間的移動過程。他們只能通過落地時的壹個聲音大致判斷垂直方向是自由落體，更不可能判斷水平方向是勻速直線運動。如圖2這樣的頻閃照片，其缺點是拍攝過程中對實驗儀器的要求較高(需要高精度、高頻率的頻閃閃光燈)，操作過程復雜(嚴格來說必須在暗室中拍攝，還有壹些具體的攝影專業問題)。如果是傳統攝影，需要壹個洗、等的過程，制作過程復雜，不利於課堂演示。而且學生看到的只是壹張事先準備好的照片，缺乏真實感和直接性。在這種教學方式下，這堂課大部分只能是理論說教，學生無法通過觀察分析實驗得出結論。他們只能憑借自己的能力水平去想象實驗的過程和結果，導致學生機械地接受平拋動作的分解和規律，整堂課的教學效果也不會很理想。如果能將數碼相機巧妙地引入演示，對突破這壹教學難點會有意想不到的效果。下面詳細介紹用數碼相機演示平拋動作的兩種方法。
1.利用數碼相機和視頻投影系統現場拍攝平拋運動實驗，並拍攝播放。
根據教材內容，作者對演示實驗進行了改進，如圖3所示:在垂直演示板的左側固定兩個相同且光滑的滑槽，壹高壹低，右上角固定壹塊電磁鐵。
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圖3
在演示過程中，利用數碼相機(具有攝像功能和視頻輸出)對演示實驗進行現場拍攝、拍攝和播放，引導學生觀察和分析“慢動作”的視頻片段，從中得出平拋運動的規律，進而完成該課程的課堂教學，取得良好的效果。具體操作分為以下步驟:
1.準備實驗儀器和攝像系統設備的選擇和連接:演示實驗裝置平放在水平桌面上，如圖3所示。準備兩個相同的鐵球。選擇高端和中檔(帶攝像功能和視頻輸出)數碼相機，自帶監控彩屏和更大的50萬-300萬像素CCD傳感器，可以達到更高的清晰度。。高、中型機器配備3X-30X光學變焦鏡頭，具有完整的自動和手動功能。將數碼相機直接安裝在蛇形管或可調照明支架上。用屏蔽線將數碼相機的信號輸出端連接到電腦或直接連接到視頻投影儀。
2.演示、拍攝、播放“平拋運動的垂直方向為自由落體運動”實驗:取兩個相同的球，壹個放在裝置左上角的滑槽(光滑的)壹定高度處，用磁鐵吸引，另壹個放在裝置右上角的相同高度處，用磁鐵吸引。開關自動控制:當第壹個球離開滑道末端時，另壹個球同時下落，壹個做平拋運動，壹個做自由落體運動。從背景網格紙可以看出，它們在整個下落過程中幾乎處於同壹水平，最後同時落地。整個實驗都被數碼相機拍攝了下來。學生觀察完實物演示後，直接觀察視頻，然後分析視頻的“慢放”，啟發學生分析，讓他們總結出水平投擲運動是垂直方向的自由落體運動。下面(圖4-6)是視頻慢速播放時的幾個鏡頭。
圖4圖5圖6
3.示範、投籃、打球:平拋運動的垂直方向為水平勻速直線運動:取兩個相同的球，壹個放在距水平端末端壹定高度的裝置左上角，另壹個用磁鐵放在距水平端相同高度的裝置左下角。開關用來控制兩個球同時下落，壹個做平拋運動，壹個做近視勻速直線運動。從背景網格紙可以看出，整個運動過程中它們幾乎在同壹條垂直線上，最後同時到達右邊的小網袋。整個實驗都被數碼相機拍攝了下來。學生觀察完實物演示後，直接觀察視頻，然後分析視頻的“慢放”，啟發學生分析，讓他們總結出平拋運動是水平方向的勻速直線運動。以下(圖7-10)是視頻慢速播放時的幾個鏡頭。
圖7圖8
圖9圖10
使用數碼相機拍攝時，請註意以下幾點:
1.拍攝時，光源不僅要用於相機配光，還要有利於學生觀察實驗。日光色高頻電子鎮流器可采用高效節能燈或功率較高的白熾燈，特殊部位照明有時需要小功率白熾燈射燈。所有光源應配備合適的燈罩，以防止光線直接照射數碼相機的鏡頭或學生的眼睛。
2.用數碼相機拍攝球的運動過程時，需要註意背景和球的反差大。拍攝時可直接安裝在蛇形管或可調照明支架或三腳架上，保證相機靜止。
二、利用數碼相機的“多段”神奇拍攝功能，拍攝並分析平拋運動實驗。
所謂的“多段”魔拍模式，具體來說就是能夠在0.5秒內連續拍攝16張照片，也就是每三十分之壹秒拍壹張照片，這是壹個極其罕見的功能(索尼-T1相機等中高端數碼相機都有)。只是在這種拍攝模式下，畫面質量會有所降低。對於壹個500萬像素的相機來說，每張照片的像素只有65438+百萬左右(這也是專業數碼相機沒有這個功能的原因)，但這對於我們的中學物理實驗來說已經足夠了。如圖11，就是這種拍攝模式拍出來的平拋運動照片。圖12是Photoshop軟件將多幅圖像合成為同壹張照片的結果，引導學生證明水平方向為勻速運動，垂直方向為勻速運動，可測得加速度約為9.7m/s2。
具體拍攝過程中註意以下幾點。
1，拍攝時間間隔可選。比如索尼-T1有三種選擇:每秒30張，15張，7.5張，但是不管是哪壹種，壹次只能連拍16張，所以每張的連拍時間不壹樣，每秒30張可以連拍0.5張。15張每秒可以連續拍1秒，7.5張每秒可以連續拍2秒。因為連拍的時間很短，所以大家壹定要註意拍攝的時機。還好數碼相機不用膠卷，可以再拍。有些相機可以長時間保持拍攝，那就更好了。
3.因為拍攝對象是運動的物體，如果快門速度太慢，拍攝出來的圖像會比較模糊，所以需要提高快門速度。當然很多數碼相機都是傻瓜相機，控制不了光圈快門。這時候主要的解決方法是:提高拍攝環境的亮度，提高感光度(ISO)設置。如果問題解決不了，可以用曝光補償來提高快門速度，代價是照片曝光不足。
4.這種“多階段”的神奇拍攝功能，還可以配合視頻投影系統進行真實拍攝和回放，更加真實。
從《平拋物體的運動》課程教學過程的實際效果來看，數碼相機的攝像功能和“多段式”神奇拍攝功能演示與分析實驗的引入，為該課程的課堂教學創造了更加生動直觀的教學效果，能夠吸引學生對認知物理知識的濃厚興趣，對所學知識留下深刻印象。
數碼相機“多段”的神奇拍攝功能，不僅可以研究平拋運動，還可以研究自由落體運動、簡諧運動、動量守恒等高速運動物體。在動量守恒實驗中，用頻閃攝影很難完成，因為往復運動使多個圖像疊加在同壹個底片上，很難識別，用這種“多段”神奇拍攝功能模式拍攝的照片是不存在的。
數碼相機除了拍攝高速運動的物體，還用於拍攝黑暗環境下的幹涉、衍射條紋、示波器波形甚至顯微鏡視野。比如布朗運動的演示實驗，調試後將具有攝像功能的數碼相機與光通道對接，插入立體顯微鏡攝像接口，或者拔出觀察目鏡，插入目鏡筒，數碼相機的信號輸出端用屏蔽線連接大屏幕電視或視頻投影儀。這樣就可以在大屏幕電視或投影屏幕上看到“布朗運動”的大畫面——大量黃色廣告色的懸浮顆粒壹直在不規則地運動。課堂上，同學們在老師的指導下，仔細觀察分析這些圖片，記錄下壹個質點在不同時刻的運動軌跡，展開熱烈的討論，加深了對布朗運動本質的理解。這壹切都在短短幾分鐘內完成，不僅節省了時間，還取得了良好的教學效果。
數碼相機的拍攝功能和“多段”的神奇拍攝功能，不僅可以拍攝和播放，還可以通過視頻采集卡將拍攝的內容捕捉到電腦中，利用非線性編輯軟件Premeiere 6.0編輯成視頻文件，再通過投影儀放到屏幕上，適合課堂演示，效果非常好。
總之，將數碼相機引入課堂教學演示實驗，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某些實驗的缺陷，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創新，將對教育改革和發展起到積極的推動作用。
參考資料:
1.錢汝蘭《物理教學示範》2004年第8期視頻拍攝物理教學的探討
2.張傑、牟啟山多媒體技術在頻閃攝影實驗中的應用物理實驗2004，12。