盛翌航 黃原點(diǎn) 王穎 陸唯一 吳斌 田冰濤 陳東生

（上海電力學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，上海 200090）

1 引言

Web camera（如圖1）又稱為電腦相機(jī)、電腦眼等，其工作原理如圖2所示［1］：景物通過(guò)鏡頭生成的光學(xué)圖像投射到圖像傳感器CMOS表面上，然后轉(zhuǎn)為電信號(hào)，經(jīng)過(guò)A／D（模數(shù)轉(zhuǎn)換）轉(zhuǎn)換后變?yōu)閿?shù)字圖像信號(hào)，再送到數(shù)字信號(hào)處理芯片（DSP）中加工處理，再通過(guò)USB接口傳輸?shù)诫娔X中處理，通過(guò)顯示器就可以看到圖像了.目前Web camera捕獲畫(huà)面的最大分辨率為640×480，最大視頻捕獲速度能達(dá)到30幀／秒.

圖1 Webcamera

圖2 工作原理圖

利用Webcamera能捕獲動(dòng)態(tài)視頻、且方便與計(jì)算機(jī)連接等優(yōu)點(diǎn)，可以將它作為一種數(shù)據(jù)采集裝置并在一些動(dòng)態(tài)物理實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行應(yīng)用，如利用Webcamera可以動(dòng)態(tài)拍攝小球在液體中下落的過(guò)程，再對(duì)拍攝的錄像進(jìn)行數(shù)據(jù)分析以得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果.其動(dòng)態(tài)拍攝效果如圖3所示.

圖3 小球下落的拍攝畫(huà)面

2 實(shí)驗(yàn)原理

液體粘滯系數(shù)又稱液體粘度，是液體的重要性質(zhì)之一，當(dāng)金屬小球在具有一定粘滯性液體中下落時(shí)，剛開(kāi)始由于速度尚小，所以阻力也不大；但隨著下落速度的增大，阻力也隨之增大，最后重力mg、浮力ρgV、粘滯阻力F三個(gè)力達(dá)到平衡，于是，小球開(kāi)始做勻速直線運(yùn)動(dòng)，經(jīng)推導(dǎo)可得［2］

式中d為小球的直徑，ρ′為小球材料的密度，l為小球勻速下落的距離，t為小球在下落距離l時(shí)所用的時(shí)間.1為修正因子，其中D為管子的內(nèi)直徑［3］.

3 視頻分析過(guò)程［4］

Flash是一款非常流行的動(dòng)畫(huà)制作軟件，它能對(duì)Webcamera所拍攝的動(dòng)態(tài)視頻（有些視頻格式需要進(jìn)行轉(zhuǎn)化）進(jìn)行分析以獲取一些重要的物理參數(shù)，如時(shí)間與距離.

3.1 小球下落時(shí)間的測(cè)量

動(dòng)態(tài)視頻被導(dǎo)入到Flash場(chǎng)景后，可轉(zhuǎn)化為10幀／s進(jìn)行播放，所以每1幀對(duì)應(yīng)的是0.1秒的時(shí)刻，通過(guò)鼠標(biāo)能夠按照每幀重現(xiàn)小球的運(yùn)動(dòng)軌跡.圖4顯示了小球15th幀到165th幀所對(duì)應(yīng)的時(shí)刻.由圖易得：小球從15th幀到165th幀下落所對(duì)應(yīng)的時(shí)間

圖4 參數(shù)分析圖

3.2 坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換

真實(shí)場(chǎng)景中，在量筒上選擇任意兩條線進(jìn)行定標(biāo)（如圖4兩黃色線圈），用標(biāo)準(zhǔn)刻度尺測(cè)得兩條線之間距離為Δh2.在Flashmx場(chǎng)景中用其自帶的測(cè)任意點(diǎn)坐標(biāo)的功能，測(cè)得量筒上兩條定標(biāo)線之間的像素距離為Δh1，即可按變化系數(shù)p＝Δh2／Δh1對(duì)不同的坐標(biāo)系進(jìn)行轉(zhuǎn)化.

3.3 小球下落距離的測(cè)量

Flashmx可以動(dòng)態(tài)地顯示圖上任一點(diǎn)的坐標(biāo)位置x，y值，如果定義y1，y2對(duì)應(yīng)于時(shí)刻t1、t2的像素縱坐標(biāo)，則小球下落的距離l可寫(xiě)成：

所以粘滯系數(shù)可以表示為

4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

實(shí)驗(yàn)裝置包括裝滿蓖麻油的量筒、web camera和一臺(tái)個(gè)人電腦，量筒直徑6.72cm、高度60cm，實(shí)驗(yàn)中所用小球直徑有兩種：分別為2.00mm和1.59mm，室內(nèi)溫度為17.5℃小球和油的密度分別為ρ＝7.90×103kg／m3和ρ′＝0.966×103kg／m3.實(shí)驗(yàn)中所用是一個(gè)具有分辨率640×480、型號(hào)為ET380的Web camera，所測(cè)數(shù)據(jù)如表1所示.

表1

通過(guò)式（3）與上述數(shù)據(jù)可以算得粘滯系數(shù)為

5 粘滯系數(shù)與溫度的關(guān)系研究

粘滯系數(shù)是一個(gè)與溫度密切相關(guān)的物理量，為了研究它們之間的關(guān)系，一個(gè)加熱器與一個(gè)溫度控制器被安裝在量筒外圍，在不同的溫度下拍攝小球的運(yùn)動(dòng)視頻，按以上的視頻分析方法可獲得數(shù)據(jù)如表2所示.

表2

通過(guò)Matlab對(duì)表2中實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合可得溫度與粘滯系數(shù)的關(guān)系函數(shù)為

其圖像如圖5所示.

圖5 溫度與粘滯系數(shù)的關(guān)系圖

6 結(jié)論

Web camera不僅可以用來(lái)捕獲一些有趣的物理現(xiàn)象，而且在許多方面還可以用作數(shù)據(jù)采集器，它在研究一些動(dòng)力學(xué)問(wèn)題上是非常有幫助的.同時(shí)，本文提出的Flash軟件在分析數(shù)據(jù)上提供了一種有效的途徑.

1 http：／／publish.it168.com／2007／1218／images／808817.jpg

2 陳發(fā)堂，熊慧萍，陳東生等.大學(xué)物理教程［M］.中國(guó)電力出版社，2010年第二版

3 鄭勇林，楊曉莉，楊敏.落球半徑對(duì)測(cè)量粘度的影響［J］.物理實(shí)驗(yàn)，2003，23（9）：42～44

4 陳東生，崔璐，宦強(qiáng).數(shù)碼相機(jī)在測(cè)量液體粘滯系數(shù)中的應(yīng)用［J］.物理實(shí)驗(yàn)，25（10）：37～39