数码摄像技术在物理实验中应用

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【摘要】随着计算机技术和人工智能的快速发展，数码摄像技术在物理实验中发挥着越来越重要的作用。在分析数码摄像技术特点的基础上，从初中物理实验、高中物理实验和大学物理实验三个角度出发，对数码摄像技术在物理实验中的应用进行了综述归纳，并对数码摄像技术的未来发展趋势进行了展望。

【关键词】数码摄像；物理实验；数字图像处理

0引言

物理实验在不同阶段的教学教育中都扮演着重要的角色，是学生在不同的求学阶段中开启思维、接触自然、实践创新的基本手段和关键途径。通过物理实验，可以提高学生对理论知识的理解程度，增加学生对实际应用的创新能力，因此，熟练领会物理实验的内涵，深刻掌握物理实验的技巧，是每一名高素质学生的必备技能。随着现代信息技术和人工智能技术的快速发展，物理实验也体现出现代化、智能化的发展趋势，以各类数码设备为载体、以数字图像处理为代表的人工智能技术已深入各类物理实验中[1-6]。当前，数码相机、智能手机等数码设备已经高度普及，采用这类设备进行摄像和拍照也已成为日常生活的一部分，为物理实验中采用数码设备提供了基础。同时，数字图像具有分辨率高、可后期处理、无损存储、可连续拍摄等优点，适合应用于物理实验中的精密读数、数据记录、非接触性测量以及连续对比观测等实验场景中。本文对数码摄像技术在物理实验中的应用进行详细综述，给出各类实验使用数码摄像技术的原理和方法，并对未来的发展趋势进行展望。

1数码摄像技术在物理实验中的应用概括

在我国的教育体系中，物理实验贯穿初中、高中和大学三个连续的教育阶段，是培养学生动手实践能力的主要手段之一。纵观这个三个阶段的物理实验，数码摄像技术都起到了改造传统实验手段，提高实验的可视化水平，改善实验的可操作性的作用，表1中列出了近年相关文献中采用数码摄像技术来进行改良的物理实验名称。在该表中，我们按照教育阶段对相关物理实验进行归纳汇总，从表中可以看出，不管在初中、高中阶段，还是大学阶段，数码摄像技术都已经被广泛应用在物理实验中。

2数码摄像技术在初中物理实验中的应用

初中阶段是物理学习的起始阶段，需要在该阶段着重培养学生的物理思想和物理兴趣，由于物理在学习过程的理论性较强，因此，以实验为主要手段对物理学科进行可视化的教学是提高学生思维能力和观察能力的必由之路。在该阶段的物理实验中，数码摄像技术主要被应在以下的三个实验模块。

2.1平抛运动

该实验模块主要基于数码相机的高速连拍功能[7]，通过该功能记录不同时刻运动目标的运动轨迹，从而进行对比分析得出实验结论。在平抛运动实验中，需要分别对运动物体的水平运动和垂直运动进行连续分析，在此基础上综合考虑水平和垂直两个方向上的运动情况得出平抛运动的运动规律。此时可以利用同时启动的运动开关分别对两个小球做自由落体和平抛运动，然后在运动开启的同一时刻利用数码相机的连拍功能记录两个小球的运动情况。记录结束后，利用图像处理软件将小球的运动轨迹集成在一起，通过数据分析完成该实验的分析和结论总结。

2.2螺旋测微器

与上一实验模块不同，该模块对数码相机的使用主要依赖于数码相机的微距功能[7]。在该模式下，数码相机可以起到放大镜的作用，能够近距离地对观察对象进行高清成像，从而更加高效地体现观察对象的细节变化。螺旋测微器是进行高精度测量的一种重要器具，然而对该部分内容进行实验教学时，由于螺旋测微器属于精密仪器，刻度数字较为微小，因此，传统的课件方式可视化效果不好，难以取得理想的效果。将数码相机的微距功能引入螺旋测微器实验教学中，通过对局部细微区域进行高清成像，可以使学生对螺旋测微器的工作细节进行清晰的可视化观察，从而加深学生对实验的理解，同时也提高了实验教学的效果。

2.3瞬时速度和加速度

瞬时速度和加速度是初中物理中的两个重要概念。文献[7]中利用数码相机的摄像功能对这两个概念进行直观易懂的展示。首先构建一倾斜的木板，并调整木板的方向令小球可以从木板较高的一端做直线下滑运动。接下来，在木板上标出刻度，并用数码相机对准倾斜的木板，且保证木板被完全包含在数码相机的视野内。打开数码相机的摄像功能，将小球释放进行图像抓拍。抓拍结束后，通过连续时刻的视频帧获取小球的位置，由于此时的时间值亦为已知，因此可以求得此时刻的瞬时速度，同理可以进一步求得小球的加速度。该实验不但可以提高学生的动手能力，而且也有助于学生对实验中所涉及物理公式的消化和理解。

3数码摄像技术在高中物理实验中的应用

在高中阶段的物理实验中应用数码摄像技术时，主要借助于数码相机可快速拍摄、可视化效果好等优点，使学生可以更加直观地对实验现象和实验过程进行理解，有助于实验教学效果的提高。

3.1打点器测速度

用打点计时器测速度实验出自人教版高中物理必修一，该实验通过打点计时器来记录实验过程，在实验操作过程中存在着直观性不强、学生对实验的感性认识不足等问题。鉴于此，文献[8]将数码相机引入实验中，通过数码相机的快速连拍和摄像功能对物体运动轨迹进行实时跟踪录制。由于数码相机在连拍或者录像模式下相邻两幅图像的间隔时间已知，因此可以替代传统的打点计时器，而且采用数码相机可以任意次数地还原实验动态过程，可以让学生更加直观、贴近地观察实验物体的动态变化，从而加深对实验的掌握和理解。

3.2单摆运动

单摆运动同样是高中物理中基础性的实验之一。在使用数码相机记录单摆实验时，首先将数码相机固定在三脚架上，并将镜头与单摆的运动平面垂直[9]，然后开启数码相机的连拍模式，同时启动小球的单摆运动。在图像采集结束后，通过图像处理软件，将小球图像集成在一幅图像中。此时可以观察到小球在摆动周期内的运动情况，而且小球在平衡位置较为稀疏，而在两端位置则较为密集，由于相机连拍的时间间隔是相同的，因此可以得出小球在两端运动速度较慢，而在平衡位置运动速度较快的结论。

3.3布朗运动

相对上述实验，布朗运动难度较大，且实验条件要求严格，部分老师仅仅进行理论上的讲授和展示，从而导致实验的开课率不高。为了让学生可以真正地接触实验过程，将数码相机和高倍显微镜相结合[9]，先将高倍显微镜调整到稳定状态，然后再用数码相机记录显微镜的观察情况。观察完毕后，将拍摄结果进行全班展示，并开展实验讨论，加深同学们对布朗运动的认识和理解。

4数码摄像技术在大学物理实验中的应用

大学物理实验在中学物理实验的基础上进行了进一步的拓展和深入，数码摄像技术依然发挥其可快速拍摄、高分辨率等优点，对提高大学物理实验的教学效果起到了一定的促进作用。

4.1弹簧振子实验

简谐振动是大学物理的一个重要内容。为了更加直观、可视化地对振动进行理解，常常采用弹簧振子实验来进行实践教学。传统的弹簧振子实验存在可视化程度不高、理论空想严重等缺点。文献[10]采用高速相机来观察震动中的弹簧振子。通过高速相机记录弹簧振子在每一时刻的外观参数，可以让学生直观、清晰地观察到弹簧振子发生振动的整个运动过程，对振动周期、能量转化、空气阻尼对振子的影响等实验内容进行贴近地分析和讨论，加深学生对简谐运动的理解。

4.2牛顿环实验

牛顿环是空气薄膜经光束照射后，发射光束产生干涉而出现的圆环状干涉条纹。该实验在物理实验中有着重要的地位。传统的牛顿环实验采用显微镜来观察干涉条纹，并记录干涉圆环的位置和直径。传统实验方法存在实验复杂、测量手段不直观且易产生误差等问题。针对该问题，数码相机和智能手机[11-14]先后被应用到实验操作中。文献[15]在总结采用数码摄像手段进行牛顿环实验的基础上，设计了一种基于无镜头数码相机的牛顿环实验方法，利用实验中的透镜直接在无镜头数码相机感光芯片上进行投影得到干涉条纹的图像，通过数码相机感光芯片参数进一步计算出牛顿环干涉条纹的直径。该方法不但操作简单易于实现，而且也提高了干涉条纹直径的测量精度。

4.3密里根油滴实验

19世纪初，美国物理学家密立根发现带电油滴所带电量为电子电荷的整数倍。大学物理实验中的密立根油滴实验就是基于上述发现，通过观测电场中带电油滴的下落运动来测定电子的电量。传统的密里根油滴实验使用秒表对油滴运动速度进行手动测量，从而测量精度取决于人体的反应速度和灵敏性，因此，往往会存在较大的误差。文献[16]将数码相机的高速连拍功能引入该实验中，通过固定的时间间隔对油滴进行高精度的抓拍，从而准确捕捉到油滴的瞬时状态。采用数码相机不但可以快速、多次地进行重复测量，而且可以对相机视野内的多颗油滴进行同时测量，从而在保证实验精度的基础上，大大提高实验效率。

5结语

随着信息技术的快速发展，以数码摄像、图像处理为代表的人工智能技术也不断地深入物理实验中。从上述分析可以看出，不管是中学阶段还是大学阶段，采用数码摄像技术都可以为传统的物理实验手段提供更加便捷、更加精准的实验方法。在未来的物理实验中，数码相机作为一种高分辨率、快速性的记录装置，会深入更多的物理实验中，而且对抓拍到的图片进行自动化、智能化的处理也会成为提高物理实验水平的一个重要支撑。

作者:张京爱 李素文 单位:淮北师范大学物理与电子信息学院