智能手機(jī)拍攝功能在物理課堂教學(xué)中的應(yīng)用

王 蕾

(江蘇省蘇州第一中學(xué)校,江蘇 蘇州 215006)

智能手機(jī)進(jìn)入市場(chǎng)以來(lái)，相機(jī)的像素和分辨率大幅提升,同時(shí)拍攝功能也變得多樣化．近幾年,許多品牌手機(jī)的相機(jī)功能里除了正常照片、視頻的拍攝外,還有兩個(gè)攝影方式:慢鏡頭和延時(shí)攝影．

以電影技術(shù)為例,正常情況下,電影放映和拍攝轉(zhuǎn)換頻率是同步的,例如每秒拍24幀,放映時(shí)也是每秒24幀．如果拍攝時(shí),加快拍攝頻率,例如每秒48幀,然后放映時(shí)恢復(fù)每秒24幀,看到的畫(huà)面就是原本很快速的運(yùn)動(dòng)被放慢了．這就是通常講的“慢鏡頭”．相反,當(dāng)拍攝頻率減慢,小于每秒24幅時(shí),放映時(shí)銀幕上就出現(xiàn)了快動(dòng)作,又稱(chēng)“延時(shí)攝影”功能．目前iphone手機(jī)慢動(dòng)作可以達(dá)到每秒120幀和240幀,意思就是拍攝時(shí),單位時(shí)間內(nèi)增加5倍和10倍的采集量,播放時(shí)則就會(huì)將1 s的運(yùn)動(dòng)延長(zhǎng)至5 s和10 s播放了．

慢動(dòng)作可以讓我們看到更多的細(xì)節(jié),而快動(dòng)作可以制造一些獨(dú)立個(gè)性的視頻,如天氣變化、車(chē)流等．下面談?wù)勥@些特殊的拍攝功能在高中物理課堂教學(xué)中的應(yīng)用．

1 智能手機(jī)拍攝之慢動(dòng)作在物理實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用

高中物理課上演示的許多實(shí)驗(yàn)多發(fā)生在短暫的時(shí)間內(nèi),所以有心的教師會(huì)將一些比較難觀察的物理實(shí)驗(yàn)通過(guò)提前錄像的方式采集好視頻,課堂上回放．這樣做有兩個(gè)缺點(diǎn): (1) 視頻不是當(dāng)場(chǎng)錄制,多了份神秘感,讓學(xué)生產(chǎn)生懷疑．(2) 如果實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象短暫的話,那錄像呈現(xiàn)效果和實(shí)驗(yàn)是一樣的．而手機(jī)慢拍功能恰恰能彌補(bǔ)這兩個(gè)不足之處．

1.1 定性分析

案例1: 探究平拋運(yùn)動(dòng)的分運(yùn)動(dòng).

常見(jiàn)的平拋實(shí)驗(yàn)演示儀如圖1所示,驗(yàn)證豎直方向與自由落體同步都是采用聽(tīng)聲音的方法,即平拋與自由落體同時(shí)出發(fā),同時(shí)落地,說(shuō)明豎直方向的同時(shí)性．可在如此短暫的瞬間,學(xué)生無(wú)法肉眼看清兩個(gè)運(yùn)動(dòng)豎直方向的同時(shí)性．

圖1 平拋實(shí)驗(yàn)演示儀

打開(kāi)手機(jī)慢拍功能如圖2所示,教師負(fù)責(zé)演示,請(qǐng)學(xué)生用手機(jī)同步錄相．將視頻投放到教室投影幕上,與學(xué)生共同探討兩種運(yùn)動(dòng)豎直方向上的共性．學(xué)生在慢動(dòng)作錄像中會(huì)清楚地看到,兩小球除了同時(shí)落地,其他任意時(shí)間兩小球始終在一條水平線上(教師可用暫停播放的方式),如圖3所示．如果有條件,也可以讓學(xué)生用自己的手機(jī)選擇正確的角度共同錄像,一同參與,這樣互動(dòng)更好．

圖2 慢動(dòng)作拍攝界面

圖3 平拋運(yùn)動(dòng)與自由落體運(yùn)動(dòng)的對(duì)比

建議: (1) 有的演示儀帶水平運(yùn)動(dòng)分析的,那在慢鏡頭拍攝下,平拋運(yùn)動(dòng)水平方向的勻速直線運(yùn)動(dòng)特征也是一覽無(wú)遺,如圖4所示．

圖4 平拋運(yùn)動(dòng)與勻速直線運(yùn)動(dòng)的對(duì)比

(2) 有條件的班級(jí)(液晶顯示屏可以用專(zhuān)用筆留痕跡)甚至可以在顯示屏投放慢動(dòng)作視頻的同時(shí),描繪平拋小球的軌跡,并在軌跡上做等時(shí)間(水平方向等間距)處理,從而獲得頻閃照片的效果．

可見(jiàn),慢拍功能在兩個(gè)快速運(yùn)動(dòng)需要發(fā)生對(duì)比的時(shí)候,能體現(xiàn)出更好的效果．

1.2 半定量分析

案例2: 探究牛頓第二定律.

圖5 實(shí)驗(yàn)裝置(側(cè)視圖)

“兩個(gè)小車(chē)后端各系一條細(xì)繩,用一個(gè)物體,例如黑板擦,把兩條細(xì)線同時(shí)按在桌子上,使小車(chē)靜止．抬起黑板擦,兩個(gè)小車(chē)同時(shí)開(kāi)始運(yùn)動(dòng),按下黑板擦,兩個(gè)小車(chē)同時(shí)停下來(lái)．用刻度尺測(cè)出兩個(gè)小車(chē)通過(guò)的位置,位移之比就等于它們的加速度之比．為了改變小車(chē)的質(zhì)量,可以在小車(chē)中增減物重” (如圖6).

圖6 實(shí)驗(yàn)裝置(俯視圖)

很顯然,教科書(shū)上提供的“抬起”、“按下”黑板擦是為了控制相同的運(yùn)動(dòng)時(shí)間,在實(shí)際的操作中,還是有許多細(xì)節(jié)需要考慮,否則很可能導(dǎo)致結(jié)果不準(zhǔn)確．

若采用慢拍功能,錄下一段短暫的運(yùn)動(dòng)過(guò)程,回放過(guò)程,可取任意瞬間暫停,獲得位移比(如圖7),有效地避免了由按下黑板擦帶來(lái)的誤差．同時(shí)要注意,為了獲得比較準(zhǔn)確的位移比,長(zhǎng)木板邊還是最好要有刻度．另外,拍攝要注意角度合適,避免讀數(shù)誤差．

圖7 對(duì)比探究牛頓第二定律慢動(dòng)作拍攝效果

圖8 探究彈性勢(shì)能與形變量的關(guān)系裝置圖

1.3 定量分析

案例3: 探究彈性勢(shì)能表達(dá)式.

如圖8所示,彈簧下端掛上鉤碼,鉤碼下落過(guò)程重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化為彈簧彈性勢(shì)能．當(dāng)鉤碼運(yùn)動(dòng)到最低點(diǎn)時(shí),速度為0,減小的重力勢(shì)能全部轉(zhuǎn)化為彈簧彈性勢(shì)能．這樣可以求得彈性勢(shì)能的大?。蟮脺p少的重力勢(shì)能,難度在于捕捉運(yùn)動(dòng)的最低點(diǎn)．縱然在整個(gè)裝置后面立襯一把毫米刻度尺,也會(huì)因?yàn)檎褡舆\(yùn)動(dòng)太快而來(lái)不及觀察．此時(shí)手機(jī)慢拍功能又可以助上一臂之力．

打開(kāi)手機(jī)慢拍功能,將實(shí)驗(yàn)全過(guò)程拍攝記錄下來(lái)．分別找出未掛鉤碼時(shí)、彈簧伸長(zhǎng)到最長(zhǎng)時(shí),鉤碼的相關(guān)位置,計(jì)算出高度的變化(彈簧相對(duì)于原長(zhǎng)的形變量),再求出重力勢(shì)能的減少量，并獲得多組彈簧形變量與彈性勢(shì)能關(guān)系,作出圖像,進(jìn)一步探尋得到彈性勢(shì)能的表達(dá)式．當(dāng)然,慢拍視頻畢竟是動(dòng)態(tài)的,如需準(zhǔn)確讀數(shù),還需錄像暫停功能加以輔助．

可見(jiàn),只要細(xì)心發(fā)掘,慢拍功能在高中物理課堂還是可以有很多出彩的地方．如果僅用于現(xiàn)象觀察的話,慣性定律(如圖9)、超失重(如圖10)、自感現(xiàn)象、楞次定律等都能拍出不錯(cuò)的效果．

圖9 慣性定律慢拍效果

圖10 完全失重慢拍效果

2 智能手機(jī)拍攝之延時(shí)攝影在物理實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用

延時(shí)攝影是一種將時(shí)間壓縮的拍攝技術(shù),把幾分鐘、幾小時(shí)、甚至幾天、幾年的過(guò)程壓縮在一個(gè)較短的時(shí)間內(nèi)以視頻的方式播放．有部分物理實(shí)驗(yàn)過(guò)程比較長(zhǎng),甚至有些在課堂時(shí)間內(nèi)無(wú)法完成,就可以考慮用延時(shí)攝影技術(shù)了．

案例4: 氣體(固體)的擴(kuò)散現(xiàn)象.

液體的擴(kuò)散現(xiàn)象非常便于觀察,但氣體擴(kuò)散時(shí)間就稍長(zhǎng),固體擴(kuò)散時(shí)間更長(zhǎng)．

兩瓶NO2氣體分別與兩個(gè)空集氣瓶對(duì)接,中間用薄玻璃板分隔,抽去其中一塊玻璃板,會(huì)發(fā)現(xiàn)氣體擴(kuò)散現(xiàn)象．時(shí)間越長(zhǎng),擴(kuò)散越充分．利用延時(shí)攝影技術(shù),在十幾秒內(nèi)的時(shí)間里將NO2充分?jǐn)U散的全過(guò)程一氣呵成．這樣可以避免截視頻片段破壞實(shí)驗(yàn)完整性或課堂中不必要的等待(如圖11)．

蘋(píng)果IOS 8 相機(jī)應(yīng)用的延時(shí)攝影有“動(dòng)態(tài)選擇間隔”的功能,任何長(zhǎng)度的延時(shí)攝影都會(huì)被縮減至20～40s．用戶不需要知道延時(shí)攝影視頻的長(zhǎng)度,相機(jī)應(yīng)用會(huì)在攝影時(shí)間增加時(shí)自動(dòng)切換幀率．這樣就是說(shuō),哪怕是很長(zhǎng)的實(shí)驗(yàn)過(guò)程也可以利用課堂時(shí)間展示．當(dāng)然考慮到內(nèi)存以及手機(jī)能耗等自身限制,用手機(jī)拍攝的話還是不建議時(shí)間過(guò)長(zhǎng)．有興趣的教師不妨借用更高級(jí)的攝影裝備進(jìn)行拍攝．

圖11 氣體擴(kuò)散現(xiàn)象

3 關(guān)于智能手機(jī)攝像的幾點(diǎn)補(bǔ)充

(1) 關(guān)于支持特殊拍攝功能的手機(jī)型號(hào).

目前支持慢拍功能的手機(jī)主要是蘋(píng)果系列,iphone5S以上的機(jī)型都可以嘗試使用．安卓系列手機(jī)也有部分款具備該功能．網(wǎng)上也有介紹手機(jī)軟件可以后期將正常視頻處理為慢動(dòng)作視頻．事實(shí)上,慢鏡頭高幀率實(shí)質(zhì)是因?yàn)樵谂臄z過(guò)程中提高了頻率(每秒采集更多幀),其他手機(jī)若無(wú)法滿足該要求,后期即使放慢播放頻率,看到的也不是連貫的慢動(dòng)作視頻,視覺(jué)上會(huì)有明顯頓挫感．因此慢鏡頭取決于硬件,而不是軟件．

(2) 關(guān)于手機(jī)與電腦的鏈接.

實(shí)驗(yàn)完畢,教師可通過(guò)應(yīng)用軟件(例如AirPlay)、網(wǎng)絡(luò)聊天工具(QQ、微信)等方式投于大顯示屏.但前提是手機(jī)及投頻設(shè)備都可以鏈接網(wǎng)絡(luò),甚至是同一個(gè)局域網(wǎng)(例AirPlay)．在條件無(wú)法滿足時(shí),實(shí)物投影直接取景手機(jī)屏幕效果也很好．

(3) 關(guān)于慢拍或延時(shí)拍攝視頻的保存.

將手機(jī)拍攝好慢鏡頭或延時(shí)攝影錄像后轉(zhuǎn)存于電腦上播放時(shí),慢動(dòng)作效果消失了．所以如需保存,必須先在iPhone手機(jī)中iMove軟件上進(jìn)行轉(zhuǎn)換后保存．

參考文獻(xiàn)：

1 人民教育出版社.普通高中課程標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)教科書(shū)物理必修1(第3版)[M].北京:人民教育出版社,2010:72-73.

2 唐光善.例談智能手機(jī)在物理教學(xué)中的應(yīng)用[J].中學(xué)物理，2016(7)： 64-65.