發(fā)光二極管(LED)頻閃燈

摘要：本文介紹了發(fā)光二極管（LED）頻閃燈的設(shè)計(jì)與制作以及使用方法，展示了用該頻閃燈拍攝物體運(yùn)動(dòng)的示例。頻閃燈的研制成功為物理實(shí)驗(yàn)室參加頻閃攝影設(shè)備，使頻閃照相真正走進(jìn)了課堂。

關(guān)鍵詞：頻閃照相；頻閃燈；制作；使用；拍攝示例

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-6148(2011)5(S)-0053-3

在力學(xué)實(shí)驗(yàn)中，演示物體直線運(yùn)動(dòng)和曲線運(yùn)動(dòng)的過(guò)程相當(dāng)短促，如“平拋運(yùn)動(dòng)演示器”演示平拋實(shí)驗(yàn)過(guò)程只有約0.2秒，而研究平拋運(yùn)動(dòng)的方法以往都是采用描跡法，描點(diǎn)既費(fèi)時(shí)又不準(zhǔn)確，實(shí)驗(yàn)時(shí)雖然小心翼翼，卻很難得到一條準(zhǔn)確而又美麗的拋物線。比較先進(jìn)的方法是頻閃照相，但是中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)室未配備頻閃攝影等設(shè)備。

隨著科技的進(jìn)步，數(shù)碼相機(jī)已進(jìn)入千家萬(wàn)戶，只差一個(gè)頻閃燈就可進(jìn)行頻閃攝影了。為此，我們?cè)O(shè)計(jì)、制作了發(fā)光二極管（LED）頻閃燈，使用了發(fā)光二極管（LED）為發(fā)光元件和CMOS集成電路，設(shè)置了多檔頻閃時(shí)間，頻閃時(shí)間間隔為0.005秒/200赫茲、0.01秒/100赫茲、0.02秒/50赫茲、0.04秒/25赫茲等檔。在進(jìn)行物體運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)時(shí)，用頻閃燈照射、數(shù)碼相機(jī)攝影，截圖后在教室多媒體投影儀當(dāng)場(chǎng)展示，可以直接計(jì)算來(lái)驗(yàn)證直線運(yùn)動(dòng)和曲線運(yùn)動(dòng)的規(guī)律，準(zhǔn)確、直觀，令學(xué)生興趣倍增且印象深刻，效果很好。

該頻閃燈的創(chuàng)新之處是用發(fā)光二極管（LED）代替了頻閃設(shè)備中貴重的頻閃管，又使用了集成電路，致使制作簡(jiǎn)單，造價(jià)低廉，性能穩(wěn)定，使頻閃攝影走進(jìn)了課堂，也走近了學(xué)生。

1 頻閃燈介紹

LED頻閃燈（如圖1）使用了27只平頭發(fā)光二極管為發(fā)光器件（平頭為漫射光），其電路圖（如圖2）使用CD4060、CD40106集成塊各一枚。CD4060有時(shí)基振蕩及多級(jí)二分頻功能，CD40106為施密特整形功能，其間為使發(fā)光時(shí)間占每個(gè)周期內(nèi)小于百分之十（占空比）還用了簡(jiǎn)單微分電路。三端穩(wěn)壓器7805是為CD4060提供穩(wěn)定電壓，以防受電源電壓波動(dòng)而影響時(shí)基振蕩頻率。頻閃時(shí)間為0.005秒/200赫茲、0.01秒/100赫茲、0.02秒/50赫茲、0.04秒/25赫茲等。配以五個(gè)5號(hào)充電電池，充一次電可連續(xù)發(fā)光數(shù)小時(shí)。

2 頻閃燈的制作方法

(1)元器件選用：LED為高亮平頭漫射光，電池可用5節(jié)AA普通電池也可用充電電池。其他詳見電路圖。

(2)組裝調(diào)試：元器件裝在一塊長(zhǎng)8厘米寬4.5厘米的一打好孔的萬(wàn)能板上，焊接好后要仔細(xì)對(duì)一遍線路，無(wú)誤后可調(diào)試。準(zhǔn)備頻率計(jì)1臺(tái)，將頻率計(jì)接入CD4060集成塊的7腳，調(diào)節(jié)可變電阻W（500K）使頻率計(jì)顯示200赫茲即可。CD4060的7腳為200赫茲，其余的腳均為依次二分頻（7、5、4、6、14、13、15、1、2、3）。

3 頻閃燈攝影的要求與方法

數(shù)碼相機(jī)的要求：對(duì)像素要求不高，300萬(wàn)像素以上均可，但要有“手動(dòng)曝光（M）”擋。因?yàn)榕臄z物體運(yùn)動(dòng)有時(shí)要用到快門時(shí)間“1秒”，這對(duì)于相機(jī)來(lái)說(shuō)屬于低速檔，需要配備一個(gè)三角架。

LED頻閃燈：用鐵架臺(tái)固定，拍攝時(shí)放置物體邊上，但不要進(jìn)入鏡頭。

環(huán)境光：要求環(huán)境光暗些，學(xué)校實(shí)驗(yàn)可在有遮光調(diào)節(jié)的教室，如在光學(xué)實(shí)驗(yàn)室。學(xué)生在家中可利用晚上。

方法：以“平拋”為例（如圖3）

（1）在“平拋運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)器”上用電磁鐵吸住鋼球。

（2）“LED頻閃燈”用鐵架臺(tái)夾住，頻閃時(shí)間撥在“0.01秒/100赫茲”，放置在實(shí)驗(yàn)器的左或右前方。注意不要進(jìn)入鏡頭，打開“開關(guān)”，燈亮。

（3）將數(shù)碼相機(jī)固定在三角架上，開啟相機(jī)，將相機(jī)設(shè)置在“手動(dòng)（M）”檔，將“快門速度”設(shè)置在“1/2秒”、光圈值設(shè)置在略低于正常曝光值（有EV等級(jí)指示的話可設(shè)置在負(fù)1.0），距離對(duì)焦可設(shè)置在自動(dòng)檔（AF）。

（4）拍攝：這是關(guān)鍵也是較難的一步，因?yàn)橐瑫r(shí)按下相機(jī)快門和釋放鋼球電磁鐵，釋放電磁鐵后鋼球飛行時(shí)間只有約0.2秒，而快門開啟時(shí)間只有0.5秒，要讓鋼球飛行的過(guò)程正好在快門開啟的時(shí)間內(nèi)，而相機(jī)按下快門到快門打開有個(gè)延時(shí)（攝影術(shù)語(yǔ)叫“時(shí)滯”，各種相機(jī)的時(shí)滯時(shí)間略有不同），所以，要反復(fù)試驗(yàn)才能滿意。初次拍攝可將相機(jī)快門設(shè)置在“1秒”或以上，為什么不干脆把快門時(shí)間設(shè)置長(zhǎng)些呢？因?yàn)榭扉T時(shí)間越長(zhǎng)圖像中背景的光越亮，和飛行小球的反差小，效果不好。好在數(shù)碼相機(jī)能即時(shí)觀看，多試幾次會(huì)成功的。

4 頻閃燈拍攝示例

使用該頻閃燈再適當(dāng)改進(jìn)相關(guān)實(shí)驗(yàn)器材，可演示和研究“平拋運(yùn)動(dòng)”、“自由落體運(yùn)動(dòng)”、“勻速圓周運(yùn)動(dòng)”、“變速圓周運(yùn)動(dòng)”、“機(jī)械能守恒定律”、“動(dòng)量守恒定律”、“簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)”等大部分力學(xué)實(shí)驗(yàn)。具有準(zhǔn)確、直觀、便于計(jì)算等特點(diǎn)。以下是使用該頻閃燈拍攝實(shí)驗(yàn)的效果圖及說(shuō)明。

4.1 白球平拋與自由落體運(yùn)動(dòng)

如圖4、5分別是使用LED頻閃燈進(jìn)行的白球平拋、自由落體的攝影圖。因?yàn)榘浊蜻\(yùn)動(dòng)快，感光弱，所以用了黑紙作背景。我們清晰地看到了平拋過(guò)程與自由落體過(guò)程。

4.2 鋼球平拋與自由落體運(yùn)動(dòng)

我們?cè)谶M(jìn)行頻閃攝影實(shí)踐中，發(fā)現(xiàn)鍍鉻鋼球在淺色或白色背景下快速運(yùn)動(dòng)的頻閃攝影圖像中，只見光斑不見鋼球的“奇特”現(xiàn)象。因?yàn)殄冦t鋼球在燈光下有一耀眼的光斑，當(dāng)感光度設(shè)置較低時(shí)，就只見光斑而不見鋼球了。利用這一特點(diǎn)，我們讓運(yùn)動(dòng)鋼球在坐標(biāo)紙背景下攝影，得到了近似鋼球質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)按時(shí)間間隔的清晰圖像。這為我們精確計(jì)算鋼球運(yùn)動(dòng)規(guī)律提供了方便。（圖6）

4.3 圓周運(yùn)動(dòng)

①鋼球在水平面上作勻速圓周運(yùn)動(dòng)。

②白球在豎直平面內(nèi)作變速圓周運(yùn)動(dòng)（圖7）。

(欄目編輯王柏廬)

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請(qǐng)以PDF格式閱讀原文