利用手機連拍設計物理實驗的幾點思考

張 黎

(中山市華僑中學 廣東 中山 528400)

1 問題的提出

在高中物理實驗中，利用頻閃照相研究物體的運動是一種常見的方法.相較于打點計時器，頻閃照相避免了紙帶的摩擦，大大提高了精度.但用頻閃照相技術做相關實驗對拍攝環境和設備的要求比較高，日常教學中很少直接用到.隨著智能手機的普及，很多人想到用手機相機的連拍功能代替頻閃照相做相關實驗.在命題中，也出現了很多基于手機連拍功能研究運動實驗題.該操作有哪些問題值得思考？我們以一道常見的實驗題為例展開.

【例題】某同學新買了一臺手機，發現有連拍、全景攝影功能.他想知道相機1 s內能連拍多少張(即連拍頻率)相片，為此設計了一個實驗：一個同學將小球從與課桌表面等高處的O點靜止釋放，另一個同學將手機固定在合適位置并開啟連拍功能，之后在電腦上將照片合成處理成一張照片，如圖1所示.

圖1 照片合成后的示意圖

(1)現有相同大小的塑料球和鋼球兩個，實驗時應選用______做實驗.

(2)關于按快門和釋放小球的先后順序，正確的做法是______.

(3)用刻度尺測得小球在初始位置1與9間的距離h=35.00 cm，若當地的重力加速度為9.80 m/s2，則相機連拍頻率為______Hz.

參考答案：(1)鋼球；(2)先按快門再釋放小球；(3)30.

命題的意圖是用自由落體運動來探究相機連拍頻率，所以操作時先按快門再釋放小球，這樣拍攝小球的初速度為零.設相機的拍攝周期為T，利用

得

T=0.033 4 s

故連拍頻率

2 思考一小球下落的時間是否為連拍周期的整數倍？

由于先開始拍攝，再自由釋放小球，所以第一張照片小球速度一定是零，但是第一張與第二張照片的時間間隔是T嗎？我們作一個時間軸如圖2所示.

圖2 時間軸

相機拍照的時刻是0，T，2T，3T等時刻，但小球開始下落的時刻不一定是這些時刻.假設小球釋放的時刻處于T～2T之間，2T時刻小球已經在運動，故2T時刻照片定為運動的第二張照片，反推T時刻的照片定為釋放小球的初始照片，這樣處理的結果是照片1，2之間的時間間隔一定小于T.雖然釋放小球的時刻也有可能恰好對應拍照的0，T，2T等時刻，但這種概率是很低的.

理論上分析，按照題設的條件小球運動時間為nT,但實際運動時間是(n-1)T～nT之間的某個值，故T測

nT測=(n-1)T真

最大相對誤差

圖3 自由落體的頻閃照片

這張照片的拍攝可以用以下兩種方法避免系統誤差：

(2)通過改進實驗裝置，同時控制快門和小球，使得拍攝第一張照片時小球同時下落，但是這樣的設計可能會有些復雜.

3 思考二手機的連拍功能是否可以替代頻閃照相？

筆者查閱市面上普遍使用的智能手機官方介紹，沒有一家手機廠商給出連拍的準確速度(連拍頻率).筆者用最簡單的方法分別測試華為P40，華為Mate 40，iPhone 6S，iPhone 12 proMax和VIVO IQOO5等5款手機的連拍速度，基本涵蓋了常見的高端、中高端和中端手機.在相同的光照條件下，啟動毫秒計時器，用手機直接對準計時器連拍.實驗中使用毫秒級電腦計時器軟件界面如圖4所示.

圖4 毫秒級電腦計時器

從連拍照片中記錄每一張照片上顯示的時刻，相鄰兩張照片記錄的時刻差值即為連拍時間間隔.記錄數據如表1所示.

表1 5款手機連拍周期數據

對5款手機連拍周期的數據分析如表2所示.

表2 5款手機連拍周期分析

由表1和表2數據可見，測試的5款手機拍攝周期都在各自的平均值上下波動，但都不穩定，平均相對偏差最小的為8.93%，最大達37.54%.作為參照，我們查閱一款LED自攜式頻閃儀，其標稱10 Hz，25 Hz的頻閃光源測得的精確頻率分別為10.04 Hz，25.12 Hz，偏差均小于 0.5%[2]，其周期穩定性遠超手機.

頻閃照相是相機快門一直打開，利用頻閃儀電子閃光燈的周期性閃光，在一張底片上連續記錄物體的運動，閃光頻率穩定；而手機的連拍則涉及電子快門、存儲快慢等等諸多因素，原理與頻閃照相有很大的不同.我們無法窮盡所有手機的連拍數據，但從已有的結果來看，用手機連拍替代頻閃照相缺乏科學依據，畢竟設計手機連拍的目的不是為了實驗.因此，在目前的物理實驗中，用手機連拍研究物體的運動不合時宜，基于手機連拍功能而設計的諸多相關實驗題同樣缺乏現實基礎.

4 結束語

實驗是物理學的基礎，在培養學生科學探究、科學證據意識方面有著不可替代的地位.但當前有些實驗問題設計未能跳出傳統習題訓練的范圍，過于關注技能知識的簡單考査，真正“做實驗”寥寥無幾[3].實驗題的設計應立足現實的問題情境，通過真實情境實現對學生實踐意識與實驗能力的考查，踐行核心素養的培養.