數(shù)碼攝像技術(shù)在物理實(shí)驗(yàn)中應(yīng)用

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【摘要】隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和人工智能的快速發(fā)展，數(shù)碼攝像技術(shù)在物理實(shí)驗(yàn)中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。在分析數(shù)碼攝像技術(shù)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，從初中物理實(shí)驗(yàn)、高中物理實(shí)驗(yàn)和大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)三個(gè)角度出發(fā)，對(duì)數(shù)碼攝像技術(shù)在物理實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用進(jìn)行了綜述歸納，并對(duì)數(shù)碼攝像技術(shù)的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望。

【關(guān)鍵詞】數(shù)碼攝像；物理實(shí)驗(yàn)；數(shù)字圖像處理

0引言

物理實(shí)驗(yàn)在不同階段的教學(xué)教育中都扮演著重要的角色，是學(xué)生在不同的求學(xué)階段中開(kāi)啟思維、接觸自然、實(shí)踐創(chuàng)新的基本手段和關(guān)鍵途徑。通過(guò)物理實(shí)驗(yàn)，可以提高學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的理解程度，增加學(xué)生對(duì)實(shí)際應(yīng)用的創(chuàng)新能力，因此，熟練領(lǐng)會(huì)物理實(shí)驗(yàn)的內(nèi)涵，深刻掌握物理實(shí)驗(yàn)的技巧，是每一名高素質(zhì)學(xué)生的必備技能。隨著現(xiàn)代信息技術(shù)和人工智能技術(shù)的快速發(fā)展，物理實(shí)驗(yàn)也體現(xiàn)出現(xiàn)代化、智能化的發(fā)展趨勢(shì)，以各類數(shù)碼設(shè)備為載體、以數(shù)字圖像處理為代表的人工智能技術(shù)已深入各類物理實(shí)驗(yàn)中[1-6]。當(dāng)前，數(shù)碼相機(jī)、智能手機(jī)等數(shù)碼設(shè)備已經(jīng)高度普及，采用這類設(shè)備進(jìn)行攝像和拍照也已成為日常生活的一部分，為物理實(shí)驗(yàn)中采用數(shù)碼設(shè)備提供了基礎(chǔ)。同時(shí)，數(shù)字圖像具有分辨率高、可后期處理、無(wú)損存儲(chǔ)、可連續(xù)拍攝等優(yōu)點(diǎn)，適合應(yīng)用于物理實(shí)驗(yàn)中的精密讀數(shù)、數(shù)據(jù)記錄、非接觸性測(cè)量以及連續(xù)對(duì)比觀測(cè)等實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景中。本文對(duì)數(shù)碼攝像技術(shù)在物理實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用進(jìn)行詳細(xì)綜述，給出各類實(shí)驗(yàn)使用數(shù)碼攝像技術(shù)的原理和方法，并對(duì)未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行展望。

1數(shù)碼攝像技術(shù)在物理實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用概括

在我國(guó)的教育體系中，物理實(shí)驗(yàn)貫穿初中、高中和大學(xué)三個(gè)連續(xù)的教育階段，是培養(yǎng)學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐能力的主要手段之一。縱觀這個(gè)三個(gè)階段的物理實(shí)驗(yàn)，數(shù)碼攝像技術(shù)都起到了改造傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)手段，提高實(shí)驗(yàn)的可視化水平，改善實(shí)驗(yàn)的可操作性的作用，表1中列出了近年相關(guān)文獻(xiàn)中采用數(shù)碼攝像技術(shù)來(lái)進(jìn)行改良的物理實(shí)驗(yàn)名稱。在該表中，我們按照教育階段對(duì)相關(guān)物理實(shí)驗(yàn)進(jìn)行歸納匯總，從表中可以看出，不管在初中、高中階段，還是大學(xué)階段，數(shù)碼攝像技術(shù)都已經(jīng)被廣泛應(yīng)用在物理實(shí)驗(yàn)中。

2數(shù)碼攝像技術(shù)在初中物理實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用

初中階段是物理學(xué)習(xí)的起始階段，需要在該階段著重培養(yǎng)學(xué)生的物理思想和物理興趣，由于物理在學(xué)習(xí)過(guò)程的理論性較強(qiáng)，因此，以實(shí)驗(yàn)為主要手段對(duì)物理學(xué)科進(jìn)行可視化的教學(xué)是提高學(xué)生思維能力和觀察能力的必由之路。在該階段的物理實(shí)驗(yàn)中，數(shù)碼攝像技術(shù)主要被應(yīng)在以下的三個(gè)實(shí)驗(yàn)?zāi)K。

2.1平拋運(yùn)動(dòng)

該實(shí)驗(yàn)?zāi)K主要基于數(shù)碼相機(jī)的高速連拍功能[7]，通過(guò)該功能記錄不同時(shí)刻運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)軌跡，從而進(jìn)行對(duì)比分析得出實(shí)驗(yàn)結(jié)論。在平拋運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)中，需要分別對(duì)運(yùn)動(dòng)物體的水平運(yùn)動(dòng)和垂直運(yùn)動(dòng)進(jìn)行連續(xù)分析，在此基礎(chǔ)上綜合考慮水平和垂直兩個(gè)方向上的運(yùn)動(dòng)情況得出平拋運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。此時(shí)可以利用同時(shí)啟動(dòng)的運(yùn)動(dòng)開(kāi)關(guān)分別對(duì)兩個(gè)小球做自由落體和平拋運(yùn)動(dòng)，然后在運(yùn)動(dòng)開(kāi)啟的同一時(shí)刻利用數(shù)碼相機(jī)的連拍功能記錄兩個(gè)小球的運(yùn)動(dòng)情況。記錄結(jié)束后，利用圖像處理軟件將小球的運(yùn)動(dòng)軌跡集成在一起，通過(guò)數(shù)據(jù)分析完成該實(shí)驗(yàn)的分析和結(jié)論總結(jié)。

2.2螺旋測(cè)微器

與上一實(shí)驗(yàn)?zāi)K不同，該模塊對(duì)數(shù)碼相機(jī)的使用主要依賴于數(shù)碼相機(jī)的微距功能[7]。在該模式下，數(shù)碼相機(jī)可以起到放大鏡的作用，能夠近距離地對(duì)觀察對(duì)象進(jìn)行高清成像，從而更加高效地體現(xiàn)觀察對(duì)象的細(xì)節(jié)變化。螺旋測(cè)微器是進(jìn)行高精度測(cè)量的一種重要器具，然而對(duì)該部分內(nèi)容進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)時(shí)，由于螺旋測(cè)微器屬于精密儀器，刻度數(shù)字較為微小，因此，傳統(tǒng)的課件方式可視化效果不好，難以取得理想的效果。將數(shù)碼相機(jī)的微距功能引入螺旋測(cè)微器實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，通過(guò)對(duì)局部細(xì)微區(qū)域進(jìn)行高清成像，可以使學(xué)生對(duì)螺旋測(cè)微器的工作細(xì)節(jié)進(jìn)行清晰的可視化觀察，從而加深學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的理解，同時(shí)也提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果。

2.3瞬時(shí)速度和加速度

瞬時(shí)速度和加速度是初中物理中的兩個(gè)重要概念。文獻(xiàn)[7]中利用數(shù)碼相機(jī)的攝像功能對(duì)這兩個(gè)概念進(jìn)行直觀易懂的展示。首先構(gòu)建一傾斜的木板，并調(diào)整木板的方向令小球可以從木板較高的一端做直線下滑運(yùn)動(dòng)。接下來(lái)，在木板上標(biāo)出刻度，并用數(shù)碼相機(jī)對(duì)準(zhǔn)傾斜的木板，且保證木板被完全包含在數(shù)碼相機(jī)的視野內(nèi)。打開(kāi)數(shù)碼相機(jī)的攝像功能，將小球釋放進(jìn)行圖像抓拍。抓拍結(jié)束后，通過(guò)連續(xù)時(shí)刻的視頻幀獲取小球的位置，由于此時(shí)的時(shí)間值亦為已知，因此可以求得此時(shí)刻的瞬時(shí)速度，同理可以進(jìn)一步求得小球的加速度。該實(shí)驗(yàn)不但可以提高學(xué)生的動(dòng)手能力，而且也有助于學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)中所涉及物理公式的消化和理解。

3數(shù)碼攝像技術(shù)在高中物理實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用

在高中階段的物理實(shí)驗(yàn)中應(yīng)用數(shù)碼攝像技術(shù)時(shí)，主要借助于數(shù)碼相機(jī)可快速拍攝、可視化效果好等優(yōu)點(diǎn)，使學(xué)生可以更加直觀地對(duì)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和實(shí)驗(yàn)過(guò)程進(jìn)行理解，有助于實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果的提高。

3.1打點(diǎn)器測(cè)速度

用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器測(cè)速度實(shí)驗(yàn)出自人教版高中物理必修一，該實(shí)驗(yàn)通過(guò)打點(diǎn)計(jì)時(shí)器來(lái)記錄實(shí)驗(yàn)過(guò)程，在實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程中存在著直觀性不強(qiáng)、學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)的感性認(rèn)識(shí)不足等問(wèn)題。鑒于此，文獻(xiàn)[8]將數(shù)碼相機(jī)引入實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)數(shù)碼相機(jī)的快速連拍和攝像功能對(duì)物體運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤錄制。由于數(shù)碼相機(jī)在連拍或者錄像模式下相鄰兩幅圖像的間隔時(shí)間已知，因此可以替代傳統(tǒng)的打點(diǎn)計(jì)時(shí)器，而且采用數(shù)碼相機(jī)可以任意次數(shù)地還原實(shí)驗(yàn)動(dòng)態(tài)過(guò)程，可以讓學(xué)生更加直觀、貼近地觀察實(shí)驗(yàn)物體的動(dòng)態(tài)變化，從而加深對(duì)實(shí)驗(yàn)的掌握和理解。

3.2單擺運(yùn)動(dòng)

單擺運(yùn)動(dòng)同樣是高中物理中基礎(chǔ)性的實(shí)驗(yàn)之一。在使用數(shù)碼相機(jī)記錄單擺實(shí)驗(yàn)時(shí)，首先將數(shù)碼相機(jī)固定在三腳架上，并將鏡頭與單擺的運(yùn)動(dòng)平面垂直[9]，然后開(kāi)啟數(shù)碼相機(jī)的連拍模式，同時(shí)啟動(dòng)小球的單擺運(yùn)動(dòng)。在圖像采集結(jié)束后，通過(guò)圖像處理軟件，將小球圖像集成在一幅圖像中。此時(shí)可以觀察到小球在擺動(dòng)周期內(nèi)的運(yùn)動(dòng)情況，而且小球在平衡位置較為稀疏，而在兩端位置則較為密集，由于相機(jī)連拍的時(shí)間間隔是相同的，因此可以得出小球在兩端運(yùn)動(dòng)速度較慢，而在平衡位置運(yùn)動(dòng)速度較快的結(jié)論。

3.3布朗運(yùn)動(dòng)

相對(duì)上述實(shí)驗(yàn)，布朗運(yùn)動(dòng)難度較大，且實(shí)驗(yàn)條件要求嚴(yán)格，部分老師僅僅進(jìn)行理論上的講授和展示，從而導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)的開(kāi)課率不高。為了讓學(xué)生可以真正地接觸實(shí)驗(yàn)過(guò)程，將數(shù)碼相機(jī)和高倍顯微鏡相結(jié)合[9]，先將高倍顯微鏡調(diào)整到穩(wěn)定狀態(tài)，然后再用數(shù)碼相機(jī)記錄顯微鏡的觀察情況。觀察完畢后，將拍攝結(jié)果進(jìn)行全班展示，并開(kāi)展實(shí)驗(yàn)討論，加深同學(xué)們對(duì)布朗運(yùn)動(dòng)的認(rèn)識(shí)和理解。

4數(shù)碼攝像技術(shù)在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用

大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)在中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了進(jìn)一步的拓展和深入，數(shù)碼攝像技術(shù)依然發(fā)揮其可快速拍攝、高分辨率等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)提高大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)的教學(xué)效果起到了一定的促進(jìn)作用。

4.1彈簧振子實(shí)驗(yàn)

簡(jiǎn)諧振動(dòng)是大學(xué)物理的一個(gè)重要內(nèi)容。為了更加直觀、可視化地對(duì)振動(dòng)進(jìn)行理解，常常采用彈簧振子實(shí)驗(yàn)來(lái)進(jìn)行實(shí)踐教學(xué)。傳統(tǒng)的彈簧振子實(shí)驗(yàn)存在可視化程度不高、理論空想嚴(yán)重等缺點(diǎn)。文獻(xiàn)[10]采用高速相機(jī)來(lái)觀察震動(dòng)中的彈簧振子。通過(guò)高速相機(jī)記錄彈簧振子在每一時(shí)刻的外觀參數(shù)，可以讓學(xué)生直觀、清晰地觀察到彈簧振子發(fā)生振動(dòng)的整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程，對(duì)振動(dòng)周期、能量轉(zhuǎn)化、空氣阻尼對(duì)振子的影響等實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行貼近地分析和討論，加深學(xué)生對(duì)簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的理解。

4.2牛頓環(huán)實(shí)驗(yàn)

牛頓環(huán)是空氣薄膜經(jīng)光束照射后，發(fā)射光束產(chǎn)生干涉而出現(xiàn)的圓環(huán)狀干涉條紋。該實(shí)驗(yàn)在物理實(shí)驗(yàn)中有著重要的地位。傳統(tǒng)的牛頓環(huán)實(shí)驗(yàn)采用顯微鏡來(lái)觀察干涉條紋，并記錄干涉圓環(huán)的位置和直徑。傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)方法存在實(shí)驗(yàn)復(fù)雜、測(cè)量手段不直觀且易產(chǎn)生誤差等問(wèn)題。針對(duì)該問(wèn)題，數(shù)碼相機(jī)和智能手機(jī)[11-14]先后被應(yīng)用到實(shí)驗(yàn)操作中。文獻(xiàn)[15]在總結(jié)采用數(shù)碼攝像手段進(jìn)行牛頓環(huán)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種基于無(wú)鏡頭數(shù)碼相機(jī)的牛頓環(huán)實(shí)驗(yàn)方法，利用實(shí)驗(yàn)中的透鏡直接在無(wú)鏡頭數(shù)碼相機(jī)感光芯片上進(jìn)行投影得到干涉條紋的圖像，通過(guò)數(shù)碼相機(jī)感光芯片參數(shù)進(jìn)一步計(jì)算出牛頓環(huán)干涉條紋的直徑。該方法不但操作簡(jiǎn)單易于實(shí)現(xiàn)，而且也提高了干涉條紋直徑的測(cè)量精度。

4.3密里根油滴實(shí)驗(yàn)

19世紀(jì)初，美國(guó)物理學(xué)家密立根發(fā)現(xiàn)帶電油滴所帶電量為電子電荷的整數(shù)倍。大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中的密立根油滴實(shí)驗(yàn)就是基于上述發(fā)現(xiàn)，通過(guò)觀測(cè)電場(chǎng)中帶電油滴的下落運(yùn)動(dòng)來(lái)測(cè)定電子的電量。傳統(tǒng)的密里根油滴實(shí)驗(yàn)使用秒表對(duì)油滴運(yùn)動(dòng)速度進(jìn)行手動(dòng)測(cè)量，從而測(cè)量精度取決于人體的反應(yīng)速度和靈敏性，因此，往往會(huì)存在較大的誤差。文獻(xiàn)[16]將數(shù)碼相機(jī)的高速連拍功能引入該實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)固定的時(shí)間間隔對(duì)油滴進(jìn)行高精度的抓拍，從而準(zhǔn)確捕捉到油滴的瞬時(shí)狀態(tài)。采用數(shù)碼相機(jī)不但可以快速、多次地進(jìn)行重復(fù)測(cè)量，而且可以對(duì)相機(jī)視野內(nèi)的多顆油滴進(jìn)行同時(shí)測(cè)量，從而在保證實(shí)驗(yàn)精度的基礎(chǔ)上，大大提高實(shí)驗(yàn)效率。

5結(jié)語(yǔ)

隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展，以數(shù)碼攝像、圖像處理為代表的人工智能技術(shù)也不斷地深入物理實(shí)驗(yàn)中。從上述分析可以看出，不管是中學(xué)階段還是大學(xué)階段，采用數(shù)碼攝像技術(shù)都可以為傳統(tǒng)的物理實(shí)驗(yàn)手段提供更加便捷、更加精準(zhǔn)的實(shí)驗(yàn)方法。在未來(lái)的物理實(shí)驗(yàn)中，數(shù)碼相機(jī)作為一種高分辨率、快速性的記錄裝置，會(huì)深入更多的物理實(shí)驗(yàn)中，而且對(duì)抓拍到的圖片進(jìn)行自動(dòng)化、智能化的處理也會(huì)成為提高物理實(shí)驗(yàn)水平的一個(gè)重要支撐。

作者:張京愛(ài) 李素文 單位:淮北師范大學(xué)物理與電子信息學(xué)院