李偉

摘 ? 要：本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)旨在利用我們生活中的常用物體設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)探究自由落體運(yùn)動(dòng)的規(guī)律，激發(fā)學(xué)生的物理學(xué)習(xí)熱情，培養(yǎng)學(xué)生的物理學(xué)科素養(yǎng)。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)利用智能手機(jī)并結(jié)合一些巧妙的照相技術(shù)拍攝出自由落體運(yùn)動(dòng)物體的落點(diǎn)照片，再借鑒處理紙帶問題的辦法探究自由落體運(yùn)動(dòng)的規(guī)律，并測(cè)出重力加速度。

關(guān)鍵詞：手機(jī);照相;自由落體;重力加速度;實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ?文章編號(hào)：1003-6148（2020）2-0046-3

1 ? ?實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的目的

物體下落的運(yùn)動(dòng)是司空見慣的，結(jié)合實(shí)驗(yàn)和生活中的經(jīng)驗(yàn)認(rèn)識(shí)并研究其中最具代表性的自由落體運(yùn)動(dòng)是教材中的精彩內(nèi)容。本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)在教材中對(duì)自由落體運(yùn)動(dòng)規(guī)律研究的幾種方法的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)創(chuàng)新，旨在利用實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)探究自由落體運(yùn)動(dòng)的規(guī)律，提高中學(xué)生的物理學(xué)科素養(yǎng)。希望通過實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能夠幫助中學(xué)生建立較好的物質(zhì)觀、時(shí)空觀、運(yùn)動(dòng)觀和能量觀等物理觀念，培養(yǎng)中學(xué)生的科學(xué)思維和實(shí)驗(yàn)探究能力，建立正確的科學(xué)態(tài)度與責(zé)任意識(shí)。

2 ? ?實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)改進(jìn)要點(diǎn)

人教版普通高中物理必修1中自由落體運(yùn)動(dòng)規(guī)律的研究，是通過分析打點(diǎn)計(jì)時(shí)器在重物下落過程中拖著的紙帶上打出的相鄰相同時(shí)間間隔的點(diǎn)跡來進(jìn)行的。另外，教材的課后練習(xí)中也介紹了利用頻閃相機(jī)拍照獲得物體下落點(diǎn)跡的方法來研究自由落體運(yùn)動(dòng)的規(guī)律，一些資料也提到可以通過一般相機(jī)連拍多張照片再PS合成到一張上的方法進(jìn)行研究。本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)對(duì)以上三個(gè)實(shí)驗(yàn)方法取長(zhǎng)補(bǔ)短，讓它既可以像打點(diǎn)計(jì)時(shí)器一樣直接、有效、一次性地記錄下相鄰相同時(shí)間間隔的點(diǎn)跡，同時(shí)也像相機(jī)一樣可以直觀地拍下每個(gè)點(diǎn)跡上物體的圖像，讓它可以直接看到球在相同時(shí)間間隔下的落點(diǎn)圖像，清楚地看到自由落體運(yùn)動(dòng)的規(guī)律，并且只需要利用我們手里的手機(jī)照相機(jī)就可以實(shí)現(xiàn)。

3 ? ?實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ)

1.我們知道在相機(jī)的曝光時(shí)間內(nèi)，相機(jī)會(huì)將鏡頭在這段時(shí)間內(nèi)捕捉到的圖像都記錄在照片上。那么，我們就可以通過調(diào)長(zhǎng)相機(jī)的曝光時(shí)間，讓曝光時(shí)間內(nèi)下落鋼球的所有圖像記錄在一張照片上面，就像紙帶打出的點(diǎn)跡打在同一條紙帶上面一樣。但是，如果沒有穩(wěn)定轉(zhuǎn)動(dòng)的遮光轉(zhuǎn)盤（圖1），下落的鋼球圖像會(huì)連成一條線。

2.遮光轉(zhuǎn)盤就像打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的頂針，而馬達(dá)就像打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的交流電源。當(dāng)馬達(dá)帶動(dòng)遮光轉(zhuǎn)盤后，遮光時(shí)間部分相機(jī)無法捕捉到圖樣，每個(gè)見光的一瞬間記錄一個(gè)圖樣。這樣，穩(wěn)定轉(zhuǎn)動(dòng)的遮光轉(zhuǎn)盤就像打點(diǎn)計(jì)時(shí)器在相鄰相同時(shí)間間隔內(nèi)打一點(diǎn)一樣，讓相機(jī)在曝光時(shí)間內(nèi)能捕捉到相鄰相同時(shí)間間隔內(nèi)見光時(shí)的多個(gè)圖樣。

3.我們常用的智能手機(jī)拍照功能很強(qiáng)大，再利用軟件camera FV-5進(jìn)行輔助即可實(shí)現(xiàn)對(duì)曝光時(shí)間的調(diào)控和照片的簡(jiǎn)單處理。實(shí)驗(yàn)時(shí)將手機(jī)鏡頭放在遮光轉(zhuǎn)盤前，在按下相機(jī)快門之后，立即由靜止釋放鋼球，在曝光時(shí)間內(nèi)相機(jī)就會(huì)將轉(zhuǎn)盤見光部分相鄰相同時(shí)間間隔內(nèi)的多個(gè)鋼球圖樣顯示在同一張照片上面。

4.最后篩選出一張較好的照片，再利用照片上的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)自由落體運(yùn)動(dòng)規(guī)律的研究，并可以求出重力加速度。

4 ? ?實(shí)驗(yàn)的實(shí)施條件

1.本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的參考教材是人民教育出版社出版的高中物理必修1。

2.實(shí)驗(yàn)所需的器材有：普通智能手機(jī)（已經(jīng)下載軟件camera FV-5），銀色鋼球，9 V小型電動(dòng)機(jī)，自制遮光轉(zhuǎn)盤，學(xué)生電源，自制米尺，黑色背景板，沙盤（用來防止小球觸地彈起影響實(shí)驗(yàn)效果），光電計(jì)時(shí)器及光電門，電磁鐵，開關(guān)及導(dǎo)線若干等。

5 ? ?實(shí)驗(yàn)的操作步驟

1.安裝實(shí)驗(yàn)器材，如圖2所示。

2.將智能手機(jī)固定在支架上，打開軟件camera FV-5，將曝光時(shí)間調(diào)成1 s。再把帶有遮光轉(zhuǎn)盤的馬達(dá)用支架固定在相機(jī)鏡頭前面，而帶有刻度尺的黑色背景則放在鏡頭前適當(dāng)位置處;

3.閉合電磁鐵開關(guān)，讓電磁鐵吸住鋼球，靜止在距離地面1.5 m處，此高度位置刻度尺刻度為零;

4.打開電動(dòng)機(jī)讓遮光轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動(dòng)起來達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài);

5.打開光電計(jì)時(shí)器，功能調(diào)到s1檔開始計(jì)時(shí);

6.請(qǐng)2號(hào)同學(xué)將手機(jī)鏡頭放置在遮光轉(zhuǎn)盤前，按下相機(jī)快門之后，1號(hào)同學(xué)馬上斷開電磁鐵開關(guān)釋放鋼球;

7.停止光電計(jì)時(shí)器計(jì)時(shí)功能，記錄遮光時(shí)間;

8.多次重復(fù)實(shí)驗(yàn)步驟2-7，在手機(jī)照片中挑選出一張優(yōu)質(zhì)照片。

6 ? ?本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)減小誤差的建議

1.遮光轉(zhuǎn)盤黑色為佳，見光部分要盡量小，并且不能忽略見光部分時(shí)間，相鄰相同時(shí)間間隔計(jì)算需要按遮光時(shí)間與見光時(shí)間的比例換算出總的時(shí)間周期;

2.遮光轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速要穩(wěn)定，轉(zhuǎn)速的快慢、手機(jī)像素以及對(duì)焦等會(huì)影響照片效果;

3.計(jì)算每個(gè)落點(diǎn)位置坐標(biāo)時(shí)要由鋼球的球心來確定，減小實(shí)驗(yàn)誤差;

4.背景板最好為黑色，鋼球最好為銀白色，并且放置在手機(jī)剛好可以把整個(gè)米尺拍下來的位置，這樣拍出的照片清晰度高，并且數(shù)據(jù)也全;

5.遮光轉(zhuǎn)盤穩(wěn)定轉(zhuǎn)動(dòng)后先按快門，再迅速釋放鋼球，這個(gè)和打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的處理方法比較像;

6.實(shí)驗(yàn)過程中照片效果與光照條件以及拍攝技巧也有一定的關(guān)系。

7 ? 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的實(shí)踐研究

2017年9月本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)在云南省玉溪第一中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)室開展了實(shí)踐研究。實(shí)驗(yàn)拍出的照片如圖3所示，利用圖像法數(shù)據(jù)處理的結(jié)果如圖4所示，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄及列表法處理的結(jié)果如表1所示。

8 ? ?實(shí)驗(yàn)效果評(píng)價(jià)

本實(shí)驗(yàn)最終的實(shí)驗(yàn)效果比預(yù)期的要好，圖片清晰、震撼，列表法算出的重力加速度誤差小，v-t圖像是過原點(diǎn)的線性圖樣，證明了自由落體運(yùn)動(dòng)是勻變速直線運(yùn)動(dòng)。

但還有一些遺憾：

首先，用手機(jī)拍出的照片清晰度還是不如專業(yè)相機(jī);

其次，小球初速度不一定為零，因?yàn)榈谝粋€(gè)見光瞬間不一定恰好是釋放的瞬間，所以圖線并不是完全過原點(diǎn)。

不過只要是儀器足夠穩(wěn)定，筆者相信本實(shí)驗(yàn)具有和打點(diǎn)計(jì)時(shí)器一樣的適用性，而且比打點(diǎn)計(jì)時(shí)器打出的紙帶更加直接，更加震撼，更加貼近生活，更加具有科技創(chuàng)新感，有助于培養(yǎng)中學(xué)生的物理學(xué)科核心素養(yǎng)。

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（欄目編輯 ? ?王柏廬）