自激式頻閃攝影在物體運(yùn)動(dòng)規(guī)律研究中的應(yīng)用

胡君亮

（永康市第二中學(xué)，浙江 永康 321300）

頻閃照相是研究物體運(yùn)動(dòng)規(guī)律的常用方法，人民教育出版社現(xiàn)行高中物理教材中有5處涉及到頻閃照相.頻閃照相需要有B門(mén)的相機(jī)、頻閃儀、暗室，并且拍攝對(duì)象與背景要有較大的對(duì)比度.一般學(xué)校沒(méi)有這樣的條件，中學(xué)物理教師也很少進(jìn)行過(guò)頻閃攝影.

圖1

市場(chǎng)上有幾元錢(qián)一支的熒光棒出售，它能發(fā)出各種規(guī)律組合的閃光.解剖開(kāi)來(lái)發(fā)現(xiàn)內(nèi)部構(gòu)造非常簡(jiǎn)單：1片小集成塊，3顆紐扣電池，3只分別發(fā)出紅、綠、藍(lán)色光的發(fā)光二極管，1個(gè)按鈕.集成塊外圍電路如圖1所示.按下按鈕，3只發(fā)光二極管會(huì)產(chǎn)生各種頻率、各種組合的閃光.拆下2只二極管，只用1只二極管，按動(dòng)按鈕，可以切換到頻率為15Hz的閃光，把它固定在運(yùn)動(dòng)的物體上，拍照后可以根據(jù)照片研究物體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律.由于拍攝的主體是閃爍的發(fā)光二極管，我們稱(chēng)之為“自激式頻閃攝影”.

自激式頻閃攝影對(duì)暗室沒(méi)有特殊的要求，只要在稍暗一點(diǎn)的環(huán)境中就行.相機(jī)可以采用千元級(jí)別的數(shù)碼相機(jī)，如佳能A510、A570、A590等.這類(lèi)相機(jī)具有快門(mén)優(yōu)先功能，曝光時(shí)間最長(zhǎng)可達(dá)30s.拍攝時(shí)，將相機(jī)固定在三腳架上，調(diào)整好相機(jī)的高度以及與拍攝對(duì)象的距離，設(shè)定曝光時(shí)間，半按快門(mén)完成自動(dòng)對(duì)焦.先讓發(fā)光二極管閃爍，然后全按相機(jī)快門(mén)進(jìn)行拍攝，再放手讓物體運(yùn)動(dòng)，完成自激式頻閃攝影.根據(jù)照片研究物體運(yùn)動(dòng)的規(guī)律.下面列舉幾個(gè)實(shí)例.

（1）研究自由落體運(yùn)動(dòng)規(guī)律.

圖2

讓發(fā)光體靜止開(kāi)始下落，拍攝的照片如圖2所示.將照片導(dǎo)入PPT，作二極管每次閃光開(kāi)始時(shí)的水平線，用雙向箭頭線段連接相鄰的水平線，從圖像屬性上得到各雙向箭頭線段的尺寸，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)基本上滿(mǎn)足1∶3∶5∶7∶9的關(guān)系.也可以將等間隔的刻度線導(dǎo)入，調(diào)整幅度，可以看到相鄰兩發(fā)光點(diǎn)間的距離為1∶3∶5∶7∶9的關(guān)系.

（2）研究平拋運(yùn)動(dòng)規(guī)律.

細(xì)線系著頻閃發(fā)光體，拉開(kāi)一定角度后放手讓其往下擺動(dòng).當(dāng)?shù)竭_(dá)最低點(diǎn)時(shí)，放開(kāi)細(xì)線，物體做平拋運(yùn)動(dòng).實(shí)驗(yàn)具有偶然性，但總能拍攝出比較理想的照片，如圖3所示.將照片導(dǎo)入PPT，添加方格進(jìn)行檢測(cè)，改變方格的高度和寬度，發(fā)現(xiàn)水平方向的格子為1∶1∶1∶1∶1，豎直方向的格子滿(mǎn)足1∶3∶5∶7∶9，由此說(shuō)明平拋運(yùn)動(dòng)的物體，水平方向是勻速運(yùn)動(dòng)，豎直方向是自由落體運(yùn)動(dòng).

圖3

（3）驗(yàn)證牛頓第二定律.

將帶有滑輪的軌道后端適當(dāng)墊高，以小車(chē)重力的下滑力平衡小車(chē)的摩擦力.用鉤碼的重力代替繩子對(duì)小車(chē)的拉力，進(jìn)行驗(yàn)證牛頓第二定律的實(shí)驗(yàn).

用10g的鉤碼拉繩子，拍攝的照片如圖4－1所示，以5個(gè)閃光間隔為一個(gè)時(shí)間單位，在PPT中測(cè)得相鄰兩個(gè)時(shí)間間隔的長(zhǎng)度為4.30、3.20，長(zhǎng)度之差為1.10.

用20g的鉤碼拉繩子，拍攝的照片如圖4－2所示，以5個(gè)閃光間隔為一個(gè)時(shí)間單位，在PPT中測(cè)得相鄰兩個(gè)時(shí)間間隔的長(zhǎng)度為7.00、5.00，長(zhǎng)度之差為2.00.

圖4

用30g的鉤碼拉繩子，拍攝的照片如圖4－3所示，以5個(gè)閃光間隔為一個(gè)時(shí)間單位，在PPT中測(cè)得相鄰兩個(gè)時(shí)間間隔的長(zhǎng)度為8.20、5.20，長(zhǎng)度之差為3.00.

實(shí)驗(yàn)表明，3次實(shí)驗(yàn)的拉力之比為1∶2∶3，長(zhǎng)度差之比為1.10∶2.00∶3.00，加速度之比大概為1∶2∶3.

（4）用軌道小車(chē)探究碰撞中的不變量.

用墊高軌道一端的方法平衡摩擦力，運(yùn)動(dòng)的小車(chē)碰撞靜止的小車(chē)，探究碰撞中的不變量.

① 完全非彈性碰撞.在運(yùn)動(dòng)小車(chē)上固定頻閃二極管，兩輛小車(chē)的碰撞位置都固定橡皮泥，測(cè)得運(yùn)動(dòng)小車(chē)質(zhì)量m1＝113.5g，靜止小車(chē)質(zhì)量m2＝104.5g.拍攝照片如圖5所示.將照片導(dǎo)入PPT，測(cè)得碰撞前10個(gè)時(shí)間間隔的移動(dòng)長(zhǎng)度是8.80，碰撞后兩小車(chē)一起運(yùn)動(dòng)，10個(gè)時(shí)間間隔的移動(dòng)長(zhǎng)度是4.50.碰撞前的動(dòng)量表達(dá)為p1＝m1L1＝113.5×8.80＝998.8，碰撞后的動(dòng)量表達(dá)為p2＝（m1＋m2）L2＝218.0×4.50＝981.0，誤差為1.8%.碰撞前動(dòng)能表達(dá)為Ek1＝m1L12＝113.5×8.802＝8 789.4，碰撞后動(dòng)能表達(dá)為Ek2＝（m1＋m2）L22＝218.0×4.502＝4 414.5，動(dòng)能明顯減小.

圖5

② 非彈性碰撞.在運(yùn)動(dòng)小車(chē)上固定藍(lán)色頻閃二極管，被碰小車(chē)上固定綠色頻閃二極管，在運(yùn)動(dòng)小車(chē)上固定鐵塊以增大質(zhì)量.測(cè)得運(yùn)動(dòng)小車(chē)質(zhì)量m1＝217.0g，靜止小車(chē)質(zhì)量m2＝111.0g.拍攝照片如圖6所示.將照片導(dǎo)入PPT，測(cè)得運(yùn)動(dòng)小車(chē)碰撞前9個(gè)時(shí)間間隔的移動(dòng)長(zhǎng)度是7.45，碰撞后該運(yùn)動(dòng)小車(chē)9個(gè)時(shí)間間隔的移動(dòng)長(zhǎng)度是3.95，被碰小車(chē)9個(gè)時(shí)間間隔的移動(dòng)長(zhǎng)度是7.10.碰撞前的動(dòng)量表達(dá)為p1＝m1L1＝217.0×7.45＝1 616.6，碰撞后的動(dòng)量表達(dá)為p2＝m1L2＋m2L3＝217.0×3.95＋111.0×7.10＝1 645.2，誤差為1.8%.碰撞前動(dòng)能表達(dá)為Ek1＝m1L12＝217.0×7.452＝12 044.0，碰撞后動(dòng)能表達(dá)為Ek2＝m1L22＋m2L32＝217.0×3.952＋111.0×7.102＝8 981.2，動(dòng)能明顯減小.

圖6

③ 彈性碰撞.在運(yùn)動(dòng)小車(chē)上固定藍(lán)色頻閃二極管，被碰小車(chē)上固定綠色頻閃二極管，在運(yùn)動(dòng)小車(chē)上固定鐵塊以增大質(zhì)量，兩輛小車(chē)都固定彈簧片.測(cè)得運(yùn)動(dòng)小車(chē)質(zhì)量m1＝236.0g，靜止小車(chē)質(zhì)量m2＝126.5g.拍攝照片如圖7所示.將照片導(dǎo)入PPT，測(cè)得碰撞前運(yùn)動(dòng)小車(chē)7個(gè)時(shí)間間隔的移動(dòng)長(zhǎng)度是5.50，碰撞后運(yùn)動(dòng)小車(chē)7個(gè)時(shí)間間隔的移動(dòng)長(zhǎng)度是1.40，被碰小車(chē)7個(gè)時(shí)間間隔的移動(dòng)長(zhǎng)度是7.30.碰撞前的動(dòng)量表達(dá)為p1＝m1L1＝236.0×5.50＝1 298.0，碰撞后的動(dòng)量表達(dá)為p2＝m1L2＋m2L3＝236.0×1.40＋126.5×7.30＝1 253.8，誤差為3.4%.碰撞前動(dòng)能表達(dá)為Ek1＝m1L12＝236.0×5.52＝7 139，碰撞后動(dòng)能表達(dá)為Ek2＝m1L22＋m2L32＝236.0×1.42＋126.5×7.302＝7 203.7，碰撞前后動(dòng)能基本相等.

圖7

用自激式頻閃攝影進(jìn)行教學(xué)，既讓學(xué)生學(xué)會(huì)頻閃照片記錄信息的分析方法，也使學(xué)生對(duì)頻閃攝影增強(qiáng)感性認(rèn)識(shí)，同時(shí)用來(lái)自身邊的器材進(jìn)行物理實(shí)驗(yàn)研究，具有獨(dú)特的教育意義.