巧用攝像頭破解演示實(shí)驗(yàn)的難點(diǎn)

摘要：鑒于攝像頭技術(shù)已經(jīng)成熟和普及，它可以在物理演示實(shí)驗(yàn)中廣泛應(yīng)用。本文提出了應(yīng)用攝像頭的兩種教學(xué)模式：分離式和捆綁式。這兩種模式可以實(shí)現(xiàn)以下效果：現(xiàn)象放大（特寫）效果；視角轉(zhuǎn)換效果；環(huán)境獨(dú)立化效果；動(dòng)態(tài)現(xiàn)象靜態(tài)化效果……從而有效破解演示實(shí)驗(yàn)的一些難點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：攝像頭；實(shí)驗(yàn)難點(diǎn)；分離式；捆綁式

中圖分類號(hào)：G633.7

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1003-6148(2007)4(S)-0053-3

演示實(shí)驗(yàn)是物理課堂教學(xué)中的重要內(nèi)容。許多物理實(shí)驗(yàn)工作者為提高演示實(shí)驗(yàn)的教學(xué)效果，作出了不懈努力，但仍然需要有新的進(jìn)展和突破。為此，筆者對(duì)如何應(yīng)用攝像頭突破物理演示實(shí)驗(yàn)的難點(diǎn)進(jìn)行了探索。

1 攝像頭的功能和特點(diǎn)

攝像頭是一種利用光電技術(shù)采集影像的數(shù)字視頻輸入設(shè)備。它配合個(gè)人電腦，可以把外界的動(dòng)態(tài)影像輸入并保存到電腦上，還可以通過投影設(shè)備把影像投射到屏幕上。攝像頭的作用類同人的眼睛，負(fù)責(zé)接受外界的影像信息進(jìn)行傳輸。

攝像頭具有如下特點(diǎn)：

①體積小：可以達(dá)到拇指般大小，甚至更小；

②分辨率高：影像分辨率一般可達(dá)48萬，可以拍攝到較清晰的影像；

③動(dòng)態(tài)好：幀頻最大可達(dá)30幀/秒，可完全滿足人的視覺需要；

④焦距短：拍攝距離可以從2cm到無窮遠(yuǎn)，并可以手動(dòng)調(diào)焦；

⑤使用方便：把攝像頭連線插到電腦的USB接口上，配合電腦就可以正常使用；

⑥價(jià)格便宜：一般在30～100元之間；

⑦取材方便：一般電腦耗材店都有大量現(xiàn)貨，可隨時(shí)購買。

攝像頭所具有的這些功能和特點(diǎn)，使得它在物理演示實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行廣泛應(yīng)用成為可能。

2 物理演示實(shí)驗(yàn)的若干難點(diǎn)

演示實(shí)驗(yàn)“側(cè)重于培養(yǎng)學(xué)生通過觀察思考，了解物理現(xiàn)象、規(guī)律和條件，理解概念和規(guī)律，學(xué)習(xí)規(guī)范化的操作技能和方法”^[1]。所以好的演示實(shí)驗(yàn)應(yīng)該具有：原理簡單明了、現(xiàn)象原始直接、可見度高、操作簡便的特點(diǎn)。其中，可見度高低通常決定著演示實(shí)驗(yàn)的成敗，它直接影響著演示實(shí)驗(yàn)的教學(xué)效果。為此，人們采用了各種方法去提高演示實(shí)驗(yàn)的可見度，并取得了相當(dāng)效果。但也有些實(shí)驗(yàn)并不盡如人意，主要表現(xiàn)為：實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的可見度雖有提高，但實(shí)驗(yàn)的原理被復(fù)雜化了，同時(shí)給學(xué)生展示的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象也不再是原始的物理現(xiàn)象，而是其它更高層次的間接現(xiàn)象^[2][3]?；?yàn)楂@得高的可見度，把演示實(shí)驗(yàn)放到晚上演示^[4]，使實(shí)驗(yàn)演示與課堂教學(xué)發(fā)生了分離。有兩類實(shí)驗(yàn)特別突出：①動(dòng)態(tài)性強(qiáng)的實(shí)驗(yàn)，例如：超重和失重現(xiàn)象的演示實(shí)驗(yàn)，相對(duì)運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)等； ②要求特殊環(huán)境（如暗室）的實(shí)驗(yàn)，例如：光的折射、全反射、帶電粒子在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)等實(shí)驗(yàn)。

3 攝像頭在演示實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用模式

3.1分離式 這就是讓攝像頭與實(shí)驗(yàn)儀器（器材）分離，攝像頭只作為旁觀者（而不是參與者）出現(xiàn)，負(fù)責(zé)把實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行傳遞。在這種模式下，通過攝像頭可以實(shí)現(xiàn)三種效果：現(xiàn)象放大（特寫）效果；視角變換效果；環(huán)境獨(dú)立化效果。

現(xiàn)象放大（特寫）效果：就是利用攝像頭對(duì)演示實(shí)驗(yàn)裝置和現(xiàn)象進(jìn)行全局或局部的觀察，并通過電腦把影像投影到屏幕上，從而獲得足夠大的全景影像或局部特寫影像。例如在進(jìn)行玻璃瓶微小形變演示實(shí)驗(yàn)時(shí)， 雖然玻璃管內(nèi)液柱高度變化很顯著，但由于玻璃管很細(xì)小，可見度低。此時(shí)可用攝像頭對(duì)這實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行近距離的特寫（如圖1），并投影到屏幕上，學(xué)生將能獲得足夠大的可見度。視角變換效果：就是利用體積小、移動(dòng)方便，可在任意角度進(jìn)行立體“觀察”的攝像頭，來代替學(xué)生的眼睛觀察實(shí)驗(yàn)，改變學(xué)生只能沿水平方向觀察的限制，使學(xué)生實(shí)現(xiàn)對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行全方位立體式的觀察。如在研究通電直導(dǎo)線的磁場(chǎng)時(shí)，直導(dǎo)線豎直放置，小磁針只能在同一水平面上均勻置于導(dǎo)線周圍。這個(gè)實(shí)驗(yàn)要求我們較近距離地俯視觀察，對(duì)于課堂上大多數(shù)學(xué)生是很難直接觀察到的。但如果我們?cè)谛〈裴樀恼戏椒胖靡粩z像頭（如圖2），把實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象投影到屏幕上，困難就迎刃而解了。

環(huán)境獨(dú)立化效果：就是把代替學(xué)生眼睛的攝像頭和實(shí)驗(yàn)裝置，置于特殊的實(shí)驗(yàn)環(huán)境（如暗箱）之內(nèi)，而學(xué)生置身于實(shí)驗(yàn)環(huán)境（暗箱）之外，從而使實(shí)驗(yàn)環(huán)境與實(shí)驗(yàn)觀察者完全分離，獲得了實(shí)驗(yàn)環(huán)境（暗箱）的獨(dú)立性。例如：光的折射、全反射實(shí)驗(yàn)和電荷在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的實(shí)驗(yàn)等，這些實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)象在白天較強(qiáng)光線的環(huán)境下都很難獲得足夠的可見度，需要在黑暗的環(huán)境中進(jìn)行。（許多老師會(huì)把實(shí)驗(yàn)稍提前或推后到晚上演示，顯然這使演示實(shí)驗(yàn)與課堂教學(xué)發(fā)生了分離。）為此，可以把整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置放入一個(gè)足夠大的封閉的硬紙板箱或木箱內(nèi)（為了便于對(duì)實(shí)驗(yàn)的操作，箱體的其中一側(cè)可用黑布簾代替紙板或木板），并把攝像頭置于箱內(nèi)的合適位置，對(duì)箱內(nèi)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象進(jìn)行“觀察”，而此時(shí)學(xué)生則在光線明亮的教室里觀察著屏幕上的清晰現(xiàn)象。可見，利用這種獨(dú)立的“暗室”進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)演示與課堂教學(xué)的同步。

3.2 捆綁式 這種模式是把攝像頭與某實(shí)驗(yàn)儀器（器材）捆綁在一起，連成一整體進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。在這種模式下，攝像頭既是實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的觀察者，負(fù)責(zé)起實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的傳遞，也是實(shí)驗(yàn)的參與者（當(dāng)然，這種參與是為了觀察而被迫參與的）。通過這種模式，可實(shí)現(xiàn)動(dòng)靜狀態(tài)的轉(zhuǎn)換，使原來難以觀察的動(dòng)態(tài)現(xiàn)象變?yōu)殪o態(tài)進(jìn)行觀察。下面略舉三例：

a.超重、失重現(xiàn)象演示實(shí)驗(yàn)：

用支架把攝像頭固定在彈簧秤的正前方，使它與彈簧秤成為一個(gè)較為堅(jiān)固的整體，如圖3所示。通過手動(dòng)方式調(diào)好焦，使它能清楚拍到彈簧秤指針和刻度線。然后在彈簧秤下掛上重物，讓彈簧秤拉著重物在豎直方向上做變速運(yùn)動(dòng)。在整個(gè)過程中，代替人眼睛的攝像頭相對(duì)彈簧總是靜止的，所以通過攝像頭輸出的影像，就與觀察者相對(duì)彈簧秤靜止時(shí)觀察的結(jié)果一樣。通過攝像頭學(xué)生已不再需要直接觀察運(yùn)動(dòng)著的彈簧秤及其示數(shù)變化，而是通過攝像頭觀察相對(duì)彈簧秤靜止的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。這就徹底突破了這個(gè)實(shí)驗(yàn)不可觀察的傳統(tǒng)禁區(qū)。

b.完全失重現(xiàn)象的觀察：

①完全失重狀態(tài)下物體間相互作用力為0的現(xiàn)象：如圖4所示，把攝像頭固定在彈簧秤正前方合適的位置，使它能清楚拍到彈簧秤指針和刻度線。讓A、B及彈簧秤等一起只在重力作用下運(yùn)動(dòng)，物體處于完全失重狀態(tài)，此時(shí)學(xué)生通過攝像頭，就可以觀察到完全失重狀態(tài)下物體間相互作用力為0的現(xiàn)象。

②完全失重狀態(tài)下浮力為0的現(xiàn)象：如圖5所示，給透明的大小適合的塑料瓶充滿水，用細(xì)繩反拉住浮沉子，攝像頭固定在瓶子的中間位置，使攝像頭能清晰地“看到”瓶的全境。實(shí)驗(yàn)時(shí)先松開細(xì)繩，讓學(xué)生通過攝像頭，觀察在常態(tài)時(shí)浮沉子在浮力作用下上浮的現(xiàn)象。然后再把浮沉子拉回到瓶的底部，松開細(xì)繩，同時(shí)讓瓶只在重力作用下運(yùn)動(dòng)，物體處于完全失重狀態(tài)，此時(shí)學(xué)生通過攝像頭，就可以觀察到完全失重狀態(tài)下浮力為0的現(xiàn)象。

③完全失重狀態(tài)下液體壓強(qiáng)為0的現(xiàn)象：如圖6所示，給塑料瓶裝滿深色的水，瓶的背部固定一塊白色的背景板，在瓶子前面適合的距離處固定攝像頭，讓攝像頭全境地“看到”瓶子，再在靠近瓶子底端兩側(cè)各開幾個(gè)小孔。實(shí)驗(yàn)時(shí)，先讓學(xué)生通過攝像頭觀察靜止?fàn)顟B(tài)下水從小孔噴出的現(xiàn)象（說明液體內(nèi)部存在壓強(qiáng)），再讓瓶子保持豎直放置的狀態(tài)自由落下，這時(shí)學(xué)生通過攝像頭將可清晰地看到水柱消失了，這就是在完全失重狀態(tài)下液體壓強(qiáng)為0的現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)時(shí)，為了防止攝像頭等實(shí)驗(yàn)儀器摔壞，要給鏡頭加保護(hù)罩并在地面鋪上軟墊。

c.相對(duì)運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象的觀察：

在教師講授相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，一般是通過引導(dǎo)學(xué)生回憶生活中有關(guān)相對(duì)運(yùn)動(dòng)的感性體驗(yàn)去進(jìn)行講解，很少進(jìn)行困難的演示實(shí)驗(yàn)?，F(xiàn)在應(yīng)用攝像頭，可以輕易解決這一難題。實(shí)驗(yàn)裝置如圖7所示（沿導(dǎo)軌方向視圖），兩平板車A、B放在相隔一定距離又相互平行的導(dǎo)軌上，把一攝像頭a固定在其中一平板車（設(shè)為A車）上，使攝像頭能較好地“看到”B車，然后再把另一攝像頭b置于A、B車軌道的正上方，讓攝像頭b能清晰“看到”兩車及其軌道。a、b兩攝像頭的影像同時(shí)投影到屏幕上。這樣既可以讓學(xué)生通過攝像頭b觀察到A、B實(shí)際的運(yùn)動(dòng)情況，又可以通過攝像頭a觀察到A、B的相對(duì)運(yùn)動(dòng)情況。通過對(duì)這兩種運(yùn)動(dòng)情況的比較，促進(jìn)學(xué)生對(duì)相對(duì)運(yùn)動(dòng)的理解。當(dāng)然，實(shí)驗(yàn)時(shí)可以按這樣先后順序進(jìn)行：①觀察A靜止，B運(yùn)動(dòng)時(shí)的情況；②觀察B靜止，A運(yùn)動(dòng)時(shí)的情況；③觀察A、B同向運(yùn)動(dòng)，速度不相等時(shí)的情況；④觀察A、B同向運(yùn)動(dòng)，速度相等時(shí)的情況。

4 小結(jié)

作者對(duì)攝像頭在物理演示實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用作了些探索，提出了兩種應(yīng)用模式：分離式和捆綁式。顯然這兩種模式，可較有效地解決演示實(shí)驗(yàn)中的動(dòng)態(tài)觀察問題和特殊環(huán)境要求問題。期望這些能給大家一點(diǎn)啟發(fā)，達(dá)到提高物理教學(xué)質(zhì)量的目的。

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(欄目編輯 王柏廬)