摘要：本文介紹了發(fā)光二極管（LED）頻閃燈的設計與制作以及使用方法，展示了用該頻閃燈拍攝物體運動的示例。頻閃燈的研制成功為物理實驗室參加頻閃攝影設備，使頻閃照相真正走進了課堂。

關鍵詞：頻閃照相；頻閃燈；制作；使用；拍攝示例

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A 文章編號：1003-6148(2011)5(S)-0053-3

在力學實驗中，演示物體直線運動和曲線運動的過程相當短促，如“平拋運動演示器”演示平拋實驗過程只有約0.2秒，而研究平拋運動的方法以往都是采用描跡法，描點既費時又不準確，實驗時雖然小心翼翼，卻很難得到一條準確而又美麗的拋物線。比較先進的方法是頻閃照相，但是中學物理實驗室未配備頻閃攝影等設備。

隨著科技的進步，數(shù)碼相機已進入千家萬戶，只差一個頻閃燈就可進行頻閃攝影了。為此，我們設計、制作了發(fā)光二極管（LED）頻閃燈，使用了發(fā)光二極管（LED）為發(fā)光元件和CMOS集成電路，設置了多檔頻閃時間，頻閃時間間隔為0.005秒/200赫茲、0.01秒/100赫茲、0.02秒/50赫茲、0.04秒/25赫茲等檔。在進行物體運動實驗時，用頻閃燈照射、數(shù)碼相機攝影，截圖后在教室多媒體投影儀當場展示，可以直接計算來驗證直線運動和曲線運動的規(guī)律，準確、直觀，令學生興趣倍增且印象深刻，效果很好。

該頻閃燈的創(chuàng)新之處是用發(fā)光二極管（LED）代替了頻閃設備中貴重的頻閃管，又使用了集成電路，致使制作簡單，造價低廉，性能穩(wěn)定，使頻閃攝影走進了課堂，也走近了學生。

1 頻閃燈介紹

LED頻閃燈（如圖1）使用了27只平頭發(fā)光二極管為發(fā)光器件（平頭為漫射光），其電路圖（如圖2）使用CD4060、CD40106集成塊各一枚。CD4060有時基振蕩及多級二分頻功能，CD40106為施密特整形功能，其間為使發(fā)光時間占每個周期內小于百分之十（占空比）還用了簡單微分電路。三端穩(wěn)壓器7805是為CD4060提供穩(wěn)定電壓，以防受電源電壓波動而影響時基振蕩頻率。頻閃時間為0.005秒/200赫茲、0.01秒/100赫茲、0.02秒/50赫茲、0.04秒/25赫茲等。配以五個5號充電電池，充一次電可連續(xù)發(fā)光數(shù)小時。

2 頻閃燈的制作方法

(1)元器件選用：LED為高亮平頭漫射光，電池可用5節(jié)AA普通電池也可用充電電池。其他詳見電路圖。

(2)組裝調試：元器件裝在一塊長8厘米寬4.5厘米的一打好孔的萬能板上，焊接好后要仔細對一遍線路，無誤后可調試。準備頻率計1臺，將頻率計接入CD4060集成塊的7腳，調節(jié)可變電阻W（500K）使頻率計顯示200赫茲即可。CD4060的7腳為200赫茲，其余的腳均為依次二分頻（7、5、4、6、14、13、15、1、2、3）。

3 頻閃燈攝影的要求與方法

數(shù)碼相機的要求：對像素要求不高，300萬像素以上均可，但要有“手動曝光（M）”擋。因為拍攝物體運動有時要用到快門時間“1秒”，這對于相機來說屬于低速檔，需要配備一個三角架。

LED頻閃燈：用鐵架臺固定，拍攝時放置物體邊上，但不要進入鏡頭。

環(huán)境光：要求環(huán)境光暗些，學校實驗可在有遮光調節(jié)的教室，如在光學實驗室。學生在家中可利用晚上。

方法：以“平拋”為例（如圖3）

（1）在“平拋運動實驗器”上用電磁鐵吸住鋼球。

（2）“LED頻閃燈”用鐵架臺夾住，頻閃時間撥在“0.01秒/100赫茲”，放置在實驗器的左或右前方。注意不要進入鏡頭，打開“開關”，燈亮。

（3）將數(shù)碼相機固定在三角架上，開啟相機，將相機設置在“手動（M）”檔，將“快門速度”設置在“1/2秒”、光圈值設置在略低于正常曝光值（有EV等級指示的話可設置在負1.0），距離對焦可設置在自動檔（AF）。

（4）拍攝：這是關鍵也是較難的一步，因為要同時按下相機快門和釋放鋼球電磁鐵，釋放電磁鐵后鋼球飛行時間只有約0.2秒，而快門開啟時間只有0.5秒，要讓鋼球飛行的過程正好在快門開啟的時間內，而相機按下快門到快門打開有個延時（攝影術語叫“時滯”，各種相機的時滯時間略有不同），所以，要反復試驗才能滿意。初次拍攝可將相機快門設置在“1秒”或以上，為什么不干脆把快門時間設置長些呢？因為快門時間越長圖像中背景的光越亮，和飛行小球的反差小，效果不好。好在數(shù)碼相機能即時觀看，多試幾次會成功的。

4 頻閃燈拍攝示例

使用該頻閃燈再適當改進相關實驗器材，可演示和研究“平拋運動”、“自由落體運動”、“勻速圓周運動”、“變速圓周運動”、“機械能守恒定律”、“動量守恒定律”、“簡諧運動”等大部分力學實驗。具有準確、直觀、便于計算等特點。以下是使用該頻閃燈拍攝實驗的效果圖及說明。

4.1 白球平拋與自由落體運動

如圖4、5分別是使用LED頻閃燈進行的白球平拋、自由落體的攝影圖。因為白球運動快，感光弱，所以用了黑紙作背景。我們清晰地看到了平拋過程與自由落體過程。

4.2 鋼球平拋與自由落體運動

我們在進行頻閃攝影實踐中，發(fā)現(xiàn)鍍鉻鋼球在淺色或白色背景下快速運動的頻閃攝影圖像中，只見光斑不見鋼球的“奇特”現(xiàn)象。因為鍍鉻鋼球在燈光下有一耀眼的光斑，當感光度設置較低時，就只見光斑而不見鋼球了。利用這一特點，我們讓運動鋼球在坐標紙背景下攝影，得到了近似鋼球質點運動按時間間隔的清晰圖像。這為我們精確計算鋼球運動規(guī)律提供了方便。（圖6）

4.3 圓周運動

①鋼球在水平面上作勻速圓周運動。

②白球在豎直平面內作變速圓周運動（圖7）。

(欄目編輯王柏廬)

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文