王 茵，陳 悅，王宏宇

(鞍山師范學(xué)院 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,遼寧 鞍山 114007)

近年來(lái)，計(jì)算機(jī)多媒體技術(shù)的發(fā)展為物理教學(xué)提供了新的手段.一般來(lái)說(shuō)，采用多媒體技術(shù)來(lái)組織課堂、提供更有效的教學(xué)方式已為教師們所熟知.但多媒體設(shè)備除了可以作為教學(xué)輔助渠道外，還可以作為物理實(shí)驗(yàn)的輔助測(cè)量工具和控制工具來(lái)使用.例如，聲卡實(shí)質(zhì)上是一組工作在音頻下的模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換和數(shù)字信號(hào)處理器，可以用聲卡的輸入接口對(duì)低于音頻的電壓信號(hào)進(jìn)行測(cè)量.由于這些接口都已經(jīng)封裝在標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算機(jī)的接口電路中，其增量成本微乎其微，同時(shí)計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能大大簡(jiǎn)化了一些復(fù)雜的數(shù)據(jù)分析.

PC多媒體接口設(shè)備改進(jìn)基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)這一基本思想主要包括時(shí)間數(shù)據(jù)測(cè)量(采樣)、幾何測(cè)量、數(shù)據(jù)處理、信號(hào)產(chǎn)生等幾個(gè)部分.下面將簡(jiǎn)述一些主要的應(yīng)用創(chuàng)新，討論其在教學(xué)中可能的應(yīng)用及需要特殊注意之處.

1 多媒體接口測(cè)量的主要應(yīng)用

1.1 聲卡接口用于數(shù)據(jù)讀取和時(shí)間序列測(cè)量

在中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)和大學(xué)低年級(jí)物理實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中，時(shí)間測(cè)量具有根本的意義.即使在中學(xué)階段，需要跟蹤千分之一秒過(guò)程的物理問(wèn)題也相當(dāng)常見(jiàn)，而實(shí)踐中執(zhí)行小于百分之一秒的精確時(shí)間測(cè)量都很困難.

計(jì)算機(jī)聲卡具有輸入和輸出接口，其輸入接口按照一定的采樣率讀取電壓信號(hào)，并轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)存儲(chǔ)起來(lái).標(biāo)準(zhǔn)的聲卡具有至少48 kHz的采樣率，相當(dāng)于一個(gè)20微秒分辨率的計(jì)時(shí)器，而且實(shí)踐中很多聲卡具有96 kHz，甚至128 kHz的實(shí)際采樣率，那么萬(wàn)分之一秒精度的時(shí)間測(cè)量就變得很容易.

由于空氣中聲速約為340 m/s,對(duì)于一米左右的麥克風(fēng)距離，兩點(diǎn)信號(hào)延遲約3 ms，這完全可以從聲卡采樣中讀取出來(lái).實(shí)踐中，將信號(hào)輸入聲卡的兩個(gè)輸入通道，比對(duì)兩個(gè)通道信號(hào)的形狀就可以得出延遲時(shí)間.即使在最壞(粗糙)的情況下，采樣精度導(dǎo)致的誤差也不超過(guò)5‰.相關(guān)的研究表明，即使測(cè)量聲音在水中的傳播，這一方法仍然可以得到相當(dāng)好的結(jié)果[1].

聲卡接口的一個(gè)典型應(yīng)用是聲速的測(cè)量[2].原理圖如圖1.

根據(jù)聲卡接口的這一特點(diǎn)，可以對(duì)高中《自由落體運(yùn)動(dòng)》一課中“用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器研究自由落體運(yùn)動(dòng)”這一實(shí)驗(yàn)進(jìn)行改進(jìn).將物塊開(kāi)始自由下落和落地兩個(gè)信號(hào)輸入聲卡的兩個(gè)輸入通道，對(duì)比兩個(gè)信號(hào)得到物塊下落時(shí)間，這樣避免了原實(shí)驗(yàn)中紙袋與打點(diǎn)計(jì)時(shí)器間的摩擦對(duì)實(shí)驗(yàn)帶來(lái)的誤差，可以有效提高結(jié)果的精確度.

圖1 聲速測(cè)量實(shí)驗(yàn)原理圖

聲卡記錄的信號(hào)以wav文件的形式直接存儲(chǔ)在磁盤(pán)上，這使得對(duì)其進(jìn)行數(shù)據(jù)處理變得非常容易.一個(gè)例子是利用聲卡記錄的信號(hào)實(shí)現(xiàn)多普勒效應(yīng)的定量測(cè)量[3,4]：將單頻聲源固定在運(yùn)動(dòng)物體上，記錄麥克風(fēng)接收到的信號(hào)，進(jìn)行傅里葉變換得出運(yùn)動(dòng)后的頻率.實(shí)際的校驗(yàn)測(cè)試表明(見(jiàn)圖2)，這一方法即使對(duì)于1 m/s的運(yùn)動(dòng)，仍然能獲得精度5%以?xún)?nèi)的定量結(jié)果.

圖2 多普勒效應(yīng)實(shí)驗(yàn)設(shè)備圖

聲卡實(shí)現(xiàn)多普勒效應(yīng)這一實(shí)驗(yàn)可以使用在高中《多普勒效應(yīng)》一課中，在原來(lái)觀察者與隊(duì)伍相向行走和背離行走的模擬實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，聲卡實(shí)現(xiàn)的多普勒效應(yīng)實(shí)驗(yàn)可以使學(xué)生更直觀地觀察到實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析也能使學(xué)生更容易理解多普勒效應(yīng)中頻率的變化情況.

上述多普勒測(cè)量的另外一個(gè)例子是根據(jù)麥克風(fēng)記錄到的聲音頻率來(lái)分析飛機(jī)起飛和落地的速度[5]：由于多普勒效應(yīng)，飛機(jī)起降時(shí)的噪音譜會(huì)明顯增寬，利用增寬隨時(shí)間的變化可以估計(jì)出飛機(jī)速度的變化.中學(xué)物理教學(xué)提倡從生活走向物理、從物理走向社會(huì)，學(xué)習(xí)了使用聲卡實(shí)現(xiàn)的多普勒效應(yīng)實(shí)驗(yàn)后，若再開(kāi)展社會(huì)實(shí)踐活動(dòng)走進(jìn)社會(huì)走進(jìn)機(jī)場(chǎng)，將課堂上的物理知識(shí)與生活實(shí)際相結(jié)合，對(duì)學(xué)生興趣和能力的培養(yǎng)都會(huì)是有意義的一課.

1.2 用聲卡實(shí)現(xiàn)光電門(mén)功能

時(shí)間測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)備之一是光電門(mén).如前所述，聲卡的信號(hào)讀取能力可以實(shí)現(xiàn)非常簡(jiǎn)單的光電門(mén)，只需要附加一個(gè)簡(jiǎn)單的電壓分配電路即可[6-8].一個(gè)典型的例子參見(jiàn)圖3，光信號(hào)照射在光電二極管上使二極管導(dǎo)通，電壓下降，從而在聲卡輸入端產(chǎn)生一個(gè)電壓脈沖，直接觀察聲卡記錄就可以獲得數(shù)據(jù).

關(guān)于光電門(mén)還有另外一種應(yīng)用.聲卡的優(yōu)點(diǎn)在于計(jì)時(shí)準(zhǔn)確，對(duì)于秒到毫秒級(jí)別的測(cè)量能夠提供很好的效果.但若需要計(jì)時(shí)的是分鐘級(jí)別以上，使用聲卡可能產(chǎn)生過(guò)大的wav文件，讀取不太方便.這時(shí)可以采用鼠標(biāo)輸入端口(盡管鼠標(biāo)器嚴(yán)格說(shuō)來(lái)并不是一種多媒體設(shè)備).方法是將鼠標(biāo)器的按鍵開(kāi)關(guān)分?jǐn)嗖⑶疫B接到光電二極管上，這樣光電二極管的導(dǎo)通就等效于一次鼠標(biāo)按鍵，只要再寫(xiě)一個(gè)非常簡(jiǎn)單的程序就可以捕獲鼠標(biāo)按鍵并且計(jì)時(shí).當(dāng)然，由于鼠標(biāo)的延遲時(shí)間一般來(lái)說(shuō)在若干毫秒的量級(jí)，這一方法的精度不如聲卡讀取.

圖3 簡(jiǎn)易光電門(mén)原理

使用PC多媒體接口聲卡或鼠標(biāo)來(lái)實(shí)現(xiàn)的光電門(mén)可以用于中學(xué)氣墊導(dǎo)軌測(cè)速度實(shí)驗(yàn)、測(cè)量重力加速度實(shí)驗(yàn)、探究碰撞中的不變量實(shí)驗(yàn)等，簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)裝置可以有效簡(jiǎn)化原實(shí)驗(yàn)中固有的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，還可以避免原有實(shí)驗(yàn)中摩擦對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果帶來(lái)的影響，能夠有效提高實(shí)驗(yàn)的效率和精確度.

1.3 將圖像設(shè)備用于幾何測(cè)量、幀跟蹤等

就物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)而言，圖像設(shè)備的應(yīng)用要稍弱于聲卡的時(shí)間跟蹤應(yīng)用.這主要是因?yàn)閳D像設(shè)備基本是一種幾何測(cè)量工具，但相比于標(biāo)準(zhǔn)的尺度測(cè)量，圖像設(shè)備的幾何測(cè)量并無(wú)精度優(yōu)勢(shì).

圖4 在攝像頭上拍到的擴(kuò)散過(guò)程和半徑估計(jì)

盡管如此，仍然能利用計(jì)算機(jī)的圖形能力進(jìn)行幾何測(cè)量.傳統(tǒng)的照片應(yīng)用如視差分析[9].在圖4的例子中[10]，作者用攝像頭拍攝的圖片觀測(cè)墨水在水中的擴(kuò)散速度，利用計(jì)算機(jī)的圖像處理工具，可以將擴(kuò)散圖形匹配為一個(gè)圓，從而找出擴(kuò)散半徑.因?yàn)橐曨l設(shè)備實(shí)現(xiàn)了每秒10 fps以上的圖像記錄，所以可以容易地作出擴(kuò)散半徑隨時(shí)間的變化曲線，這是其他方法難以做到的.另一研究中[11]，作者利用圖像軟件在視頻數(shù)據(jù)的各個(gè)幀上跟蹤灰度的變化，從而找到影子通過(guò)建筑物的速度，進(jìn)而求得地球的半徑.

攝像頭的連續(xù)拍攝功能也可以很好地應(yīng)用在中學(xué)物理教學(xué)中.例如，中學(xué)物體勻速直線運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)、高中的勻變速直線運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)、平拋運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)、探究碰撞中的不變量實(shí)驗(yàn)、單擺實(shí)驗(yàn)等都可利用攝像頭的連續(xù)拍攝功能，再結(jié)合軟件對(duì)拍攝物體運(yùn)動(dòng)的視頻進(jìn)行處理分析進(jìn)行教學(xué).圖5(a)為兩球碰撞實(shí)驗(yàn)[12,13]，將tracker軟件應(yīng)用于該實(shí)驗(yàn)的測(cè)量和數(shù)據(jù)處理.攝像頭拍攝兩球碰撞的視頻，再通過(guò)tracker軟件建立動(dòng)態(tài)質(zhì)點(diǎn)模型，追蹤研究對(duì)象的運(yùn)動(dòng)軌跡(見(jiàn)圖5(b))，使運(yùn)動(dòng)情況更為直觀、可視化，使用tracker軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并分析運(yùn)動(dòng)情況，如位移—時(shí)間關(guān)系、速度—時(shí)間關(guān)系、加速度—時(shí)間關(guān)系等，圖5(c)為兩球碰撞中其中一個(gè)球在碰撞前后的位移時(shí)間圖像，由此可輕松得到碰撞前后該球運(yùn)動(dòng)的速度，再結(jié)合碰撞物體的質(zhì)量，即可找到碰撞過(guò)程中的不變量，不僅提高了實(shí)驗(yàn)的效率，還能達(dá)到使學(xué)生更容易理解相關(guān)理論知識(shí)的效果.

當(dāng)然，使用tracker軟件可以實(shí)現(xiàn)圖4中墨水的擴(kuò)散情況的半自動(dòng)化追蹤，使用攝像頭拍攝視頻并結(jié)合軟件處理可以大大降低理論知識(shí)和實(shí)驗(yàn)操作的難度，但對(duì)物體運(yùn)動(dòng)軌跡的追蹤也存在一定困難.在一定程度上來(lái)講，視頻錄制的幀率越高，物體運(yùn)動(dòng)記錄越準(zhǔn)確，能減小軌跡追蹤時(shí)的誤差.軌跡追蹤時(shí)，tracker軟件可以實(shí)現(xiàn)半自動(dòng)化追蹤研究對(duì)象，但偶爾會(huì)出現(xiàn)干擾，進(jìn)行手動(dòng)追蹤時(shí)，由于物體有一定的大小，投影也存在誤差，并不能保證每次追蹤的是研究對(duì)象上的同一位置.當(dāng)研究物體快速運(yùn)動(dòng)時(shí)，視頻文件存在插值問(wèn)題，有些幀并不是研究對(duì)象實(shí)際位置的拍攝而是兩個(gè)圖像疊加而成，所以也將導(dǎo)致追蹤的結(jié)果存在一定誤差.一般的攝像頭提供的fps數(shù)目偏低，特別是很多中間幀實(shí)際是通過(guò)插值產(chǎn)生的，因此其精度存在一定的問(wèn)題.

圖5 tracker軟件應(yīng)用于運(yùn)動(dòng)學(xué)碰撞實(shí)驗(yàn)

2 改進(jìn)中需要注意的問(wèn)題

本文簡(jiǎn)述了多媒體接口設(shè)備作為測(cè)量工具和控制設(shè)備(信號(hào)發(fā)生器)在中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用.可以看到，依賴(lài)多媒體設(shè)備的數(shù)據(jù)讀取能力和計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)處理能力，許多測(cè)量較為困難和不夠直觀的中學(xué)(甚至大學(xué)低年級(jí))物理教學(xué)演示實(shí)驗(yàn)都可以被重新設(shè)計(jì)為簡(jiǎn)單直觀且原理清晰的形式，從而達(dá)到更好的教學(xué)效果，對(duì)理論的理解也更為容易.而一些非常陳舊和難以控制的教學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備也可以改為更為靈敏和簡(jiǎn)便的實(shí)驗(yàn)形式.在學(xué)生掌握了這些接口的特性后，還可以自行設(shè)計(jì)更有挑戰(zhàn)性的實(shí)驗(yàn).

與此同時(shí)，這類(lèi)改造也存在一些問(wèn)題.首先，多媒體接口的低成本是依賴(lài)于計(jì)算機(jī)的，也就是說(shuō)首先要實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)的普及才能讓學(xué)生完全自由地設(shè)計(jì)和完成這類(lèi)實(shí)驗(yàn).遺憾的是，隨著計(jì)算機(jī)設(shè)備的便攜化，其外接接口變得越來(lái)越簡(jiǎn)樸，例如，許多筆記本就沒(méi)有Line-In接口而只有Mic-In接口，從而雙通道輸入無(wú)法實(shí)現(xiàn)；大部分平板電腦甚至沒(méi)有Mic phone輸入接口.其次，很多改造在使實(shí)驗(yàn)變得簡(jiǎn)單的同時(shí)，都要涉及數(shù)據(jù)處理和濾波等問(wèn)題.例如，視頻數(shù)據(jù)的中間幀可能是軟件插值得來(lái)，并非實(shí)際拍攝；麥克風(fēng)錄音很多時(shí)候也存在中間放大和濾波導(dǎo)致的信號(hào)變形.當(dāng)然在本質(zhì)上這是現(xiàn)代科學(xué)實(shí)驗(yàn)的特性：一切測(cè)量都是設(shè)備采樣濾波的過(guò)程，但給中學(xué)生乃至大學(xué)新生解釋這些問(wèn)題絕非易事，甚至需要教師對(duì)測(cè)量理論有很好的理解.最后，可以預(yù)期，上述改造要求物理教師具有一定電子技術(shù)方面的基礎(chǔ)知識(shí)作為支撐.