梁 婷 項(xiàng) 華 聶 榕 羅 樂(lè)

（1.北京師范大學(xué)物理學(xué)系，北京 100875；2.成都石室天府中學(xué)，四川 成都 610041）

近年來(lái)，中學(xué)物理課堂中出現(xiàn)了多種利用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器、位移傳感器、光電門測(cè)量加速度的實(shí)驗(yàn)，但這些實(shí)驗(yàn)只能在學(xué)校實(shí)驗(yàn)室完成，而且分析計(jì)算復(fù)雜，不夠簡(jiǎn)單化和生活化.筆者在實(shí)踐的基礎(chǔ)上總結(jié)了一種基于視頻分析法的測(cè)量加速度的實(shí)驗(yàn)，以期廣大教師和學(xué)生能夠舉一反三，開(kāi)發(fā)出更多集趣味、簡(jiǎn)單、生活為一體的物理視頻分析實(shí)驗(yàn)案例.

1 頻閃截屏技術(shù)概述

視頻分析方法主要包括獲取視頻（或者照片）數(shù)據(jù)、篩選（視頻或照片）數(shù)據(jù)、借助軟件發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)（知識(shí)）以及交流知識(shí)價(jià)值等4個(gè)環(huán)節(jié).［1］文獻(xiàn)［1］中介紹了一種利用數(shù)碼相機(jī)拍攝的方式獲取視頻（或者照片）數(shù)據(jù)的方法，然后用QQ影音等視頻播放器逐幀播放，從而實(shí)現(xiàn)精細(xì)觀察.這里將介紹另外一種方法——頻閃截屏技術(shù)來(lái)進(jìn)行精細(xì)觀察或者定量研究.

所謂頻閃截屏技術(shù)就是利用頻閃截屏軟件（比如Mr.Captor軟件）將數(shù)碼影像每間隔一段時(shí)間截取一張頻閃圖片，再通過(guò)圖片處理軟件將頻閃圖片拼接成一張圖冊(cè)，最后借助幾何畫板、Excel等數(shù)據(jù)挖掘軟件在圖冊(cè)上探究科學(xué)規(guī)律.［2］這種方法具有成本低、操作快捷，較易與現(xiàn)有設(shè)備銜接、應(yīng)用領(lǐng)域廣泛等特點(diǎn).筆者將利用電腦攝像頭、Mr.Captor截屏軟件、小剛球、卷尺探究小球沿斜面的運(yùn)動(dòng)規(guī)律.

2 探究小球沿斜面的運(yùn)動(dòng)規(guī)律

實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備.電腦攝像頭、計(jì)算機(jī)、小剛球、卷尺、Mr.Captor頻閃截屏軟件、幾何畫板、Excel軟件等.

實(shí)驗(yàn)過(guò)程.

（1）獲取視頻（或者照片）.

頻閃圖片既可以采用頻閃截屏法實(shí)時(shí)捕獲，也可以采用視頻逐幀播放法獲取.這里采用Mr.Captor軟件獲取頻閃圖片.Mr.Captor軟件的使用方法如圖1所示，通過(guò)點(diǎn)擊“選項(xiàng)”菜單中“參數(shù)”命令，會(huì)彈出參數(shù)窗體，在“定時(shí)／視頻”中可以設(shè)置頻閃周期和保存路徑等參數(shù)，所捕獲的圖片將被自動(dòng)地保存在所選定的文件夾內(nèi).

圖1

利用卷尺搭建一個(gè)帶刻度的斜面（可利用書、筆等手邊物件踮起卷尺的一端），實(shí)驗(yàn)時(shí)，將小鋼球放在斜面上端，點(diǎn)擊“選項(xiàng)”菜單中“參數(shù)”命令，將彈出參數(shù)窗體，在“定時(shí)／視頻”中的“間隔（0.01s）：”設(shè)置為“10”，即將頻閃周期設(shè)為0.1s，再在“路徑：”中設(shè)定圖片的保存路徑.捕獲頻閃數(shù)據(jù)時(shí)需要首先在屏幕上選定方形捕獲區(qū)域，點(diǎn)擊“”按鈕選定區(qū)域，如圖2所示.

圖2

再點(diǎn)擊鼠標(biāo)右鍵，在彈出的菜單中選取“開(kāi)始定時(shí)捕捉”命令，釋放小球，小球以一定加速度滑下，于是所捕捉的圖片被記錄在相應(yīng)的文件夾中并被自動(dòng)編號(hào)如圖3所示.這樣就完成了獲取圖片數(shù)據(jù)的過(guò)程.

圖3

（2）篩選視頻（或者照片）.

利用上述方法得到的頻閃圖片中，每張圖片記錄了物體在某一時(shí)刻的位置信息，將無(wú)用圖片刪除（即去除不含小球的圖片），對(duì)于一維運(yùn)動(dòng)來(lái)說(shuō)，把剩下的有用圖片導(dǎo)入ACDsee，批量旋轉(zhuǎn)90°，選中所有照片，在工具欄“創(chuàng)建”中選中“創(chuàng)建聯(lián)系表”，調(diào)整圖片間距為0，即拼接合成為一張圖像，設(shè)置輸出路徑，保存該圖像.該圖像組成了小球運(yùn)動(dòng)的位移－時(shí)間圖像（如圖4），每一豎條表示間隔0.1s以后小球的位置.

圖4

（3）借助軟件發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)（知識(shí)）.

利用幾何畫板和Excel相結(jié)合的方式來(lái)分析圖片，既簡(jiǎn)化了測(cè)量，也省去了繁復(fù)的筆頭計(jì)算.

將圖4粘帖在幾何畫板中，選中左側(cè)工具欄中的畫“點(diǎn)”工具，在小球的位置點(diǎn)“點(diǎn)”，如圖5所示.

圖5

再用幾何畫板中的度量工具測(cè)量點(diǎn)的位移，如圖6所示.

圖6

最后，用制表工具把小球位移制成表格，再將表格數(shù)據(jù)復(fù)制到Excel中，擬合得到小球運(yùn)動(dòng)的數(shù)學(xué)規(guī)律，如圖7所示.

圖7

（4）交流與討論.

利用這種視頻分析方法研究中學(xué)物理中加速度的的測(cè)量等相關(guān)問(wèn)題，與傳統(tǒng)利用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器和位移傳感器的實(shí)驗(yàn)相比，具有如下特點(diǎn)（見(jiàn)表1）.

表1

這種頻閃截屏技術(shù)的誤差主要來(lái)源于：（1）由于鋼尺表面不平整，小球在運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)出現(xiàn)左右晃動(dòng)而造成測(cè)量誤差；（2）在幾何畫板上畫點(diǎn)時(shí)不一定畫到了球的中心而造成的測(cè)量誤差.

采用頻閃截屏技術(shù)的視頻分析方法，不僅能夠以0.05s的時(shí)間間隔拍攝頻閃照片，還能夠以10min甚至1h的時(shí)間間隔拍攝頻閃照片.這樣就既可以應(yīng)用于探究高速運(yùn)動(dòng)（比如研究自由落體運(yùn)動(dòng)），也可以用來(lái)探究歷時(shí)較長(zhǎng)的運(yùn)動(dòng)（比如液體的擴(kuò)散，太陽(yáng)高度角的變化），還可以方便地運(yùn)用于其他學(xué)科的教學(xué)，比如觀察花朵的開(kāi)放和化學(xué)反應(yīng)的速率等.

利用生活中常用設(shè)備和非專業(yè)軟件測(cè)量生活中抽象的加速度，降低了數(shù)據(jù)探究的難度，增加了數(shù)據(jù)探究的自由度和趣味性.

3 結(jié)束語(yǔ)

借助視頻分析方法可以觀察與研究樹(shù)的高度，可以精細(xì)地觀察與研究肉眼難以看到的現(xiàn)象，甚至可以定量研究像加速度這樣抽象的物理概念，由此可以看出，視頻分析方法在物理教學(xué)中具有廣泛的應(yīng)用空間.

當(dāng)前，攝像頭和數(shù)碼攝像設(shè)備已經(jīng)廣泛地被應(yīng)用于社會(huì)生活和生產(chǎn)實(shí)踐之中，掌握基本的視頻分析方法已經(jīng)成為信息時(shí)代人們的必備的科學(xué)素養(yǎng)之一.

1 羅樂(lè)，項(xiàng)華，梁婷，聶榕.視頻分析方法在物理教學(xué)中的應(yīng)用——用數(shù)碼相機(jī)實(shí)現(xiàn)精細(xì)觀察.物理教師.2013（3）.

2 項(xiàng)華.中學(xué)物理教學(xué)與信息技術(shù)整合.北京：北京師范大學(xué).2013.

3 張憲魁.物理科學(xué)方法教育.青島：中國(guó)海洋大學(xué)出版社，2000.