梁 婷 項 華 聶 榕 羅 樂

（1.北京師范大學(xué)物理學(xué)系，北京 100875；2.成都石室天府中學(xué)，四川 成都 610041）

近年來，中學(xué)物理課堂中出現(xiàn)了多種利用打點計時器、位移傳感器、光電門測量加速度的實驗，但這些實驗只能在學(xué)校實驗室完成，而且分析計算復(fù)雜，不夠簡單化和生活化.筆者在實踐的基礎(chǔ)上總結(jié)了一種基于視頻分析法的測量加速度的實驗，以期廣大教師和學(xué)生能夠舉一反三，開發(fā)出更多集趣味、簡單、生活為一體的物理視頻分析實驗案例.

1 頻閃截屏技術(shù)概述

視頻分析方法主要包括獲取視頻（或者照片）數(shù)據(jù)、篩選（視頻或照片）數(shù)據(jù)、借助軟件發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)（知識）以及交流知識價值等4個環(huán)節(jié).［1］文獻［1］中介紹了一種利用數(shù)碼相機拍攝的方式獲取視頻（或者照片）數(shù)據(jù)的方法，然后用QQ影音等視頻播放器逐幀播放，從而實現(xiàn)精細觀察.這里將介紹另外一種方法——頻閃截屏技術(shù)來進行精細觀察或者定量研究.

所謂頻閃截屏技術(shù)就是利用頻閃截屏軟件（比如Mr.Captor軟件）將數(shù)碼影像每間隔一段時間截取一張頻閃圖片，再通過圖片處理軟件將頻閃圖片拼接成一張圖冊，最后借助幾何畫板、Excel等數(shù)據(jù)挖掘軟件在圖冊上探究科學(xué)規(guī)律.［2］這種方法具有成本低、操作快捷，較易與現(xiàn)有設(shè)備銜接、應(yīng)用領(lǐng)域廣泛等特點.筆者將利用電腦攝像頭、Mr.Captor截屏軟件、小剛球、卷尺探究小球沿斜面的運動規(guī)律.

2 探究小球沿斜面的運動規(guī)律

實驗準備.電腦攝像頭、計算機、小剛球、卷尺、Mr.Captor頻閃截屏軟件、幾何畫板、Excel軟件等.

實驗過程.

（1）獲取視頻（或者照片）.

頻閃圖片既可以采用頻閃截屏法實時捕獲，也可以采用視頻逐幀播放法獲取.這里采用Mr.Captor軟件獲取頻閃圖片.Mr.Captor軟件的使用方法如圖1所示，通過點擊“選項”菜單中“參數(shù)”命令，會彈出參數(shù)窗體，在“定時／視頻”中可以設(shè)置頻閃周期和保存路徑等參數(shù)，所捕獲的圖片將被自動地保存在所選定的文件夾內(nèi).

圖1

利用卷尺搭建一個帶刻度的斜面（可利用書、筆等手邊物件踮起卷尺的一端），實驗時，將小鋼球放在斜面上端，點擊“選項”菜單中“參數(shù)”命令，將彈出參數(shù)窗體，在“定時／視頻”中的“間隔（0.01s）：”設(shè)置為“10”，即將頻閃周期設(shè)為0.1s，再在“路徑：”中設(shè)定圖片的保存路徑.捕獲頻閃數(shù)據(jù)時需要首先在屏幕上選定方形捕獲區(qū)域，點擊“”按鈕選定區(qū)域，如圖2所示.

圖2

再點擊鼠標右鍵，在彈出的菜單中選取“開始定時捕捉”命令，釋放小球，小球以一定加速度滑下，于是所捕捉的圖片被記錄在相應(yīng)的文件夾中并被自動編號如圖3所示.這樣就完成了獲取圖片數(shù)據(jù)的過程.

圖3

（2）篩選視頻（或者照片）.

利用上述方法得到的頻閃圖片中，每張圖片記錄了物體在某一時刻的位置信息，將無用圖片刪除（即去除不含小球的圖片），對于一維運動來說，把剩下的有用圖片導(dǎo)入ACDsee，批量旋轉(zhuǎn)90°，選中所有照片，在工具欄“創(chuàng)建”中選中“創(chuàng)建聯(lián)系表”，調(diào)整圖片間距為0，即拼接合成為一張圖像，設(shè)置輸出路徑，保存該圖像.該圖像組成了小球運動的位移－時間圖像（如圖4），每一豎條表示間隔0.1s以后小球的位置.

圖4

（3）借助軟件發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)（知識）.

利用幾何畫板和Excel相結(jié)合的方式來分析圖片，既簡化了測量，也省去了繁復(fù)的筆頭計算.

將圖4粘帖在幾何畫板中，選中左側(cè)工具欄中的畫“點”工具，在小球的位置點“點”，如圖5所示.

圖5

再用幾何畫板中的度量工具測量點的位移，如圖6所示.

圖6

最后，用制表工具把小球位移制成表格，再將表格數(shù)據(jù)復(fù)制到Excel中，擬合得到小球運動的數(shù)學(xué)規(guī)律，如圖7所示.

圖7

（4）交流與討論.

利用這種視頻分析方法研究中學(xué)物理中加速度的的測量等相關(guān)問題，與傳統(tǒng)利用打點計時器和位移傳感器的實驗相比，具有如下特點（見表1）.

表1

這種頻閃截屏技術(shù)的誤差主要來源于：（1）由于鋼尺表面不平整，小球在運動時會出現(xiàn)左右晃動而造成測量誤差；（2）在幾何畫板上畫點時不一定畫到了球的中心而造成的測量誤差.

采用頻閃截屏技術(shù)的視頻分析方法，不僅能夠以0.05s的時間間隔拍攝頻閃照片，還能夠以10min甚至1h的時間間隔拍攝頻閃照片.這樣就既可以應(yīng)用于探究高速運動（比如研究自由落體運動），也可以用來探究歷時較長的運動（比如液體的擴散，太陽高度角的變化），還可以方便地運用于其他學(xué)科的教學(xué)，比如觀察花朵的開放和化學(xué)反應(yīng)的速率等.

利用生活中常用設(shè)備和非專業(yè)軟件測量生活中抽象的加速度，降低了數(shù)據(jù)探究的難度，增加了數(shù)據(jù)探究的自由度和趣味性.

3 結(jié)束語

借助視頻分析方法可以觀察與研究樹的高度，可以精細地觀察與研究肉眼難以看到的現(xiàn)象，甚至可以定量研究像加速度這樣抽象的物理概念，由此可以看出，視頻分析方法在物理教學(xué)中具有廣泛的應(yīng)用空間.

當前，攝像頭和數(shù)碼攝像設(shè)備已經(jīng)廣泛地被應(yīng)用于社會生活和生產(chǎn)實踐之中，掌握基本的視頻分析方法已經(jīng)成為信息時代人們的必備的科學(xué)素養(yǎng)之一.

1 羅樂，項華，梁婷，聶榕.視頻分析方法在物理教學(xué)中的應(yīng)用——用數(shù)碼相機實現(xiàn)精細觀察.物理教師.2013（3）.

2 項華.中學(xué)物理教學(xué)與信息技術(shù)整合.北京：北京師范大學(xué).2013.

3 張憲魁.物理科學(xué)方法教育.青島：中國海洋大學(xué)出版社，2000.