智能手機拍攝功能在物理課堂教學中的應用

王 蕾

(江蘇省蘇州第一中學校,江蘇 蘇州 215006)

智能手機進入市場以來，相機的像素和分辨率大幅提升,同時拍攝功能也變得多樣化．近幾年,許多品牌手機的相機功能里除了正常照片、視頻的拍攝外,還有兩個攝影方式:慢鏡頭和延時攝影．

以電影技術為例,正常情況下,電影放映和拍攝轉換頻率是同步的,例如每秒拍24幀,放映時也是每秒24幀．如果拍攝時,加快拍攝頻率,例如每秒48幀,然后放映時恢復每秒24幀,看到的畫面就是原本很快速的運動被放慢了．這就是通常講的“慢鏡頭”．相反,當拍攝頻率減慢,小于每秒24幅時,放映時銀幕上就出現了快動作,又稱“延時攝影”功能．目前iphone手機慢動作可以達到每秒120幀和240幀,意思就是拍攝時,單位時間內增加5倍和10倍的采集量,播放時則就會將1 s的運動延長至5 s和10 s播放了．

慢動作可以讓我們看到更多的細節,而快動作可以制造一些獨立個性的視頻,如天氣變化、車流等．下面談談這些特殊的拍攝功能在高中物理課堂教學中的應用．

1 智能手機拍攝之慢動作在物理實驗中的應用

高中物理課上演示的許多實驗多發生在短暫的時間內,所以有心的教師會將一些比較難觀察的物理實驗通過提前錄像的方式采集好視頻,課堂上回放．這樣做有兩個缺點: (1) 視頻不是當場錄制,多了份神秘感,讓學生產生懷疑．(2) 如果實驗現象短暫的話,那錄像呈現效果和實驗是一樣的．而手機慢拍功能恰恰能彌補這兩個不足之處．

1.1 定性分析

案例1: 探究平拋運動的分運動.

常見的平拋實驗演示儀如圖1所示,驗證豎直方向與自由落體同步都是采用聽聲音的方法,即平拋與自由落體同時出發,同時落地,說明豎直方向的同時性．可在如此短暫的瞬間,學生無法肉眼看清兩個運動豎直方向的同時性．

圖1 平拋實驗演示儀

打開手機慢拍功能如圖2所示,教師負責演示,請學生用手機同步錄相．將視頻投放到教室投影幕上,與學生共同探討兩種運動豎直方向上的共性．學生在慢動作錄像中會清楚地看到,兩小球除了同時落地,其他任意時間兩小球始終在一條水平線上(教師可用暫停播放的方式),如圖3所示．如果有條件,也可以讓學生用自己的手機選擇正確的角度共同錄像,一同參與,這樣互動更好．

圖2 慢動作拍攝界面

圖3 平拋運動與自由落體運動的對比

建議: (1) 有的演示儀帶水平運動分析的,那在慢鏡頭拍攝下,平拋運動水平方向的勻速直線運動特征也是一覽無遺,如圖4所示．

圖4 平拋運動與勻速直線運動的對比

(2) 有條件的班級(液晶顯示屏可以用專用筆留痕跡)甚至可以在顯示屏投放慢動作視頻的同時,描繪平拋小球的軌跡,并在軌跡上做等時間(水平方向等間距)處理,從而獲得頻閃照片的效果．

可見,慢拍功能在兩個快速運動需要發生對比的時候,能體現出更好的效果．

1.2 半定量分析

案例2: 探究牛頓第二定律.

圖5 實驗裝置(側視圖)

“兩個小車后端各系一條細繩,用一個物體,例如黑板擦,把兩條細線同時按在桌子上,使小車靜止．抬起黑板擦,兩個小車同時開始運動,按下黑板擦,兩個小車同時停下來．用刻度尺測出兩個小車通過的位置,位移之比就等于它們的加速度之比．為了改變小車的質量,可以在小車中增減物重” (如圖6).

圖6 實驗裝置(俯視圖)

很顯然,教科書上提供的“抬起”、“按下”黑板擦是為了控制相同的運動時間,在實際的操作中,還是有許多細節需要考慮,否則很可能導致結果不準確．

若采用慢拍功能,錄下一段短暫的運動過程,回放過程,可取任意瞬間暫停,獲得位移比(如圖7),有效地避免了由按下黑板擦帶來的誤差．同時要注意,為了獲得比較準確的位移比,長木板邊還是最好要有刻度．另外,拍攝要注意角度合適,避免讀數誤差．

圖7 對比探究牛頓第二定律慢動作拍攝效果

圖8 探究彈性勢能與形變量的關系裝置圖

1.3 定量分析

案例3: 探究彈性勢能表達式.

如圖8所示,彈簧下端掛上鉤碼,鉤碼下落過程重力勢能轉化為彈簧彈性勢能．當鉤碼運動到最低點時,速度為0,減小的重力勢能全部轉化為彈簧彈性勢能．這樣可以求得彈性勢能的大小．要求得減少的重力勢能,難度在于捕捉運動的最低點．縱然在整個裝置后面立襯一把毫米刻度尺,也會因為振子運動太快而來不及觀察．此時手機慢拍功能又可以助上一臂之力．

打開手機慢拍功能,將實驗全過程拍攝記錄下來．分別找出未掛鉤碼時、彈簧伸長到最長時,鉤碼的相關位置,計算出高度的變化(彈簧相對于原長的形變量),再求出重力勢能的減少量，并獲得多組彈簧形變量與彈性勢能關系,作出圖像,進一步探尋得到彈性勢能的表達式．當然,慢拍視頻畢竟是動態的,如需準確讀數,還需錄像暫停功能加以輔助．

可見,只要細心發掘,慢拍功能在高中物理課堂還是可以有很多出彩的地方．如果僅用于現象觀察的話,慣性定律(如圖9)、超失重(如圖10)、自感現象、楞次定律等都能拍出不錯的效果．

圖9 慣性定律慢拍效果

圖10 完全失重慢拍效果

2 智能手機拍攝之延時攝影在物理實驗中的應用

延時攝影是一種將時間壓縮的拍攝技術,把幾分鐘、幾小時、甚至幾天、幾年的過程壓縮在一個較短的時間內以視頻的方式播放．有部分物理實驗過程比較長,甚至有些在課堂時間內無法完成,就可以考慮用延時攝影技術了．

案例4: 氣體(固體)的擴散現象.

液體的擴散現象非常便于觀察,但氣體擴散時間就稍長,固體擴散時間更長．

兩瓶NO2氣體分別與兩個空集氣瓶對接,中間用薄玻璃板分隔,抽去其中一塊玻璃板,會發現氣體擴散現象．時間越長,擴散越充分．利用延時攝影技術,在十幾秒內的時間里將NO2充分擴散的全過程一氣呵成．這樣可以避免截視頻片段破壞實驗完整性或課堂中不必要的等待(如圖11)．

蘋果IOS 8 相機應用的延時攝影有“動態選擇間隔”的功能,任何長度的延時攝影都會被縮減至20～40s．用戶不需要知道延時攝影視頻的長度,相機應用會在攝影時間增加時自動切換幀率．這樣就是說,哪怕是很長的實驗過程也可以利用課堂時間展示．當然考慮到內存以及手機能耗等自身限制,用手機拍攝的話還是不建議時間過長．有興趣的教師不妨借用更高級的攝影裝備進行拍攝．

圖11 氣體擴散現象

3 關于智能手機攝像的幾點補充

(1) 關于支持特殊拍攝功能的手機型號.

目前支持慢拍功能的手機主要是蘋果系列,iphone5S以上的機型都可以嘗試使用．安卓系列手機也有部分款具備該功能．網上也有介紹手機軟件可以后期將正常視頻處理為慢動作視頻．事實上,慢鏡頭高幀率實質是因為在拍攝過程中提高了頻率(每秒采集更多幀),其他手機若無法滿足該要求,后期即使放慢播放頻率,看到的也不是連貫的慢動作視頻,視覺上會有明顯頓挫感．因此慢鏡頭取決于硬件,而不是軟件．

(2) 關于手機與電腦的鏈接.

實驗完畢,教師可通過應用軟件(例如AirPlay)、網絡聊天工具(QQ、微信)等方式投于大顯示屏.但前提是手機及投頻設備都可以鏈接網絡,甚至是同一個局域網(例AirPlay)．在條件無法滿足時,實物投影直接取景手機屏幕效果也很好．

(3) 關于慢拍或延時拍攝視頻的保存.

將手機拍攝好慢鏡頭或延時攝影錄像后轉存于電腦上播放時,慢動作效果消失了．所以如需保存,必須先在iPhone手機中iMove軟件上進行轉換后保存．

參考文獻：

1 人民教育出版社.普通高中課程標準實驗教科書物理必修1(第3版)[M].北京:人民教育出版社,2010:72-73.

2 唐光善.例談智能手機在物理教學中的應用[J].中學物理，2016(7)： 64-65.