利用智能手機和電腦軟件探究簡諧運動規律的案例賞析

鄧 穎

(無錫市市北高級中學 江蘇 無錫 214000)

在高中物理教學中應用頻閃照相方法研究物體(或質點)的運動規律是一種重要的科學研究方法．因為頻閃照相的方法對拍照硬件和圖片處理技術要求較高，所以在高中物理課堂教學中很難實際操作．難點主要有以下幾個:

(1)頻閃照相要求拍攝照片的時間間隔較短，當物體速度較快時造成拍攝的圖片模糊無法進行精確研究．

(2)頻閃照相獲得照片數量較多，如何對大量照片在較短時間內進行比對，同時對大量圖片進行裁剪和排列是技術難點．

(3)在對頻閃照片得出規律猜想的基礎上如何進行精確定量的驗證也是一個難點．

針對以上幾個課堂教學中的難點，本文以人教版《物理·選修3-4》第一節探究“簡諧運動的位移隨時間變化規律”為例逐一進行解決．

1 利用蘋果手機慢動作拍攝清晰視頻錄像

通常彈簧振子的運動速度較快，正常錄制的視頻截取出的圖片有一些比較模糊．而使用蘋果手機的慢動作功能拍攝功能可以有效解決這個問題．一般的錄像頻率是每秒24幀(也就是24幅圖片)，而蘋果手機慢動作每秒拍攝的是120幀(或者240幀具體看手機的型號不同有所區別)．然后將視頻以正常速度播放，那么我們看到的畫面比正常的畫面放慢了5倍(或10倍)．同樣延時攝像的道理相反，每秒鐘拍攝的幀(圖片畫面)的數量很少或者間隔很長時間才拍攝一幀，然后按照正常的24幀/秒播放出來，我們就看相當于把物體一天的運動規律用幾分鐘就觀察到了．

2 利用視頻播放軟件KMPlayer批量截取視頻圖片

安裝電腦保護軟件“360安全衛士”→單擊“軟件管家”→“寶庫”→“搜索”輸入“KMPayer”→單擊安裝．安裝完畢后用KMPayer播放蘋果手機慢動作錄制的豎直彈簧振子的實驗視頻．鼠標左鍵單擊KMPayer窗口左下角的“控制面板開關按鈕”如圖1所示，然后左鍵單擊上排第5個“其他”按鈕如圖2所示，然后左鍵單擊“More”如圖3所示，出現“幀模式”面板如圖4所示．在面板內部可以設置截取圖片的數量，設置截取每一幀的時間間隔，單位是毫秒．也可以預定設置截取播放多長時間的視頻為圖片，可以調整截取圖片大小(截取圖片尺寸越大數量越多，打開圖片需要的時間就越長)，使用時需要操作者調試找出合適的時間間隔和圖片尺寸．被截取的圖片可以通過“幀模式”窗口里的“打開”直接找到．

圖1 面板開關 圖2 其他位置

圖3 More按鈕 圖4 幀面板

3 利用圖片處理軟件XnCovert批量裁剪圖片

安裝電腦保護軟件“360安全衛士”→單擊“軟件管家”→“寶庫”→“搜索”輸入“XnCovert”→單擊安裝．單擊左下方的“添加文件”如圖5所示，選擇要截圖的圖片(上面用KMpplayer截取出的圖片文件夾里)．單擊上方的“動作”按鈕，如圖6所示．

圖5 添加文件 圖6 動作按鈕

如圖7所示，添加動作→圖像→截圖．顯示“裁剪”面板．如圖8所示，調整距離邊緣的像素就可以批量截取想要的部分圖片．(截圖的時候，最好截取到只有鉤碼邊緣的圖片，這樣子在PPT中放置時，就會減少橫向的長度，而且也會避免后面的鉤碼提前看到或者看不到)．

圖7 截取列表 圖8 圖片大小

裁剪后的圖片可以預覽如圖9所示，單擊“轉換”按鈕就會批量裁剪成你所需要的圖片．裁剪后的圖片到“輸出”面板里設定如圖10所示，可以單獨自己指定到一個具體文件夾也可以放到和被裁剪的圖片同一個文件夾里，裁剪后的效果如圖11所示(被裁剪后的圖片與原圖片在同一個文件夾里)．然后新建一個空白的PPT文件(本文中使用的是WPS的PPT軟件)，將要導入的圖片全部選擇(ctrl+A)復制粘貼到PPT空白頁面里．導入的圖片就會依次分開一定的距離而排列開，如圖12所示，單擊頂端對齊(或者底端對齊)文件就會交錯地排列開．

圖9 預覽 圖10 輸出面板

圖11 圖片位置 圖12 導入PPT中

對于大量圖片進行排列是利用PPT軟件對圖片自動對齊功能進行處理，實際上每一張圖片僅僅顯示出最左邊的很少的一部分(還有一部分圖片被其他的圖片遮蓋了而看不到)．

我們巧妙地利用這個特點來顯示頻閃照相的本質，可以直觀地探究出做簡諧振動物體的位移隨時間的變化規律，顯示效果如圖13所示，對應的拍視頻的實驗裝置如圖14所示，所用的豎直彈簧振子中間帶藍色或者紅色圓圈的振子，這樣方便實驗研究．在后期技術處理時圖片層疊到一起也可以觀察到振子在豎直方向的位置．在拍攝錄像時為了達到比較好的實驗效果，拍攝背景用黑色(因為彈簧振子的砝碼是銀色，用黑色是為了增加照片對比度)，然后中間放一條白色的繩子(本文中使用了蘋果充電器的數據線拉直，也可以用白色的白板筆在黑色背景上畫出來一條白色直線．)固定在振子的平衡位置，這樣，頻閃照片就會排列出圖13的效果(其中藍色的格子是彈簧振子鉤碼中間一圈位置的顏色，有藍色圈和紅色圈兩種，也可以用其他顏色的電工膠帶遮蓋達到更好的實驗效果)．從圖中可以明顯看出，圖片中每個藍色的小方塊代表的就是振子的位移隨時間的變化規律．(因為我們是每隔相等的時間間隔截取的一張照片)通過頻閃照片排列可以讓學生定性地猜想振子的位移隨時間變化規律可能是什么樣的．

圖13 頻閃合成圖

圖14 實驗裝置

在拍攝的頻閃照片錄像時，可以直接拍攝到圖像邊緣如圖15所示，這樣在后期就不需要批量裁剪圖片，直接從視頻截取圖片省去一個裁剪圖片的過程節約課堂時間，然后導入到PPT當進行頻閃排列觀察．

圖15 誤差分析

4 利用慢動作攝像結合Excel定量探究彈簧振子位移隨時間變化規律

4.1 原有實驗器材的改進

使用如圖16所示的器材(單擺在水平方向兩側都有彈簧)，局部放大如圖17所示，由于器材本身的標尺不夠精確，所以在下方固定一個刻度尺(本文中使用的是具有磁性的刻度尺，吸附在后面的鐵質材料上，方便移動位置)．在振子上用鱷魚鉗把別針彎曲做成指針，將指針用紅色油筆涂成紅色，這樣指針可以精確地指到刻度尺上，方便精確研究減小實驗誤差．

圖16 彈簧振子 圖17 局部放大

拍攝慢動作錄像時背景用黑色，如圖18所示方便讀數．

圖18 讀數標尺

4.2 技術處理

圖19 讀取數據

圖20 Excel表格畫圖

圖21 正弦比較

4.3 誤差分析和注意事項

對圖21進行誤差分析，理想的彈簧振子是不計算彈簧質量和各種阻力，我們的彈簧有質量，空氣阻力不可避免，我們的讀數誤差不可避免，所以實際測量出的圖形和標準正弦函數存在一定差距．在誤差允許的范圍內我們認為，彈簧振子的位移隨時間是按照正弦規律變化的．在使用手機拍攝視頻時要使用手機支架，否則在拍攝時因為拍攝人手的抖動會對實驗結果產生一定的影響．實驗中采用水平彈簧振子是因為振子基本上在同一直線上運動，豎直彈簧振子在定量研究時很難保證在一個面內振動，不方便實驗研究．錄像頻閃照片截取的越多，電腦的處理時間就越長，教師要提前在自己電腦上操作幾次，控制合適的圖片數量，一般取振子1.5到2個周期內的視頻就可以了,時間間隔要選擇適當．

5 反思與拓展

如果沒有蘋果手機可以用使用數碼相機的連拍功能，可以拍攝適當數量的圖片，類似圖片截取，直接導入到PPT觀察．對于沒有實驗儀器的學校，使用圖片截取功能時可以從網絡上下載簡諧運動的實驗視頻進行后期的實驗探究．可以使用電腦錄屏軟件將整個技術操作過程錄制下來，當課堂上遇到意外無法直接操作時可以播放操作視頻，讓學生理解操作過程，理解頻閃照片是如何獲取的．我們可以用頻閃的方法進行拓展性研究，比如研究物體自由落體運動的規律，和求物體的重力加速度．用頻閃照相的方法探究物體的運動規律是高中階段探究物體規律的重要方法，在條件允許的情況下教師要盡量掌握實驗技術提高課堂教學效果．