利用手機(jī)相機(jī)功能驗證微小形變

黃治海

(常州市第三中學(xué) 江蘇 常州 213000)

微小形變的演示實驗可以直觀地呈現(xiàn)出彈力的作用效果，為認(rèn)識微小形變提供感性素材，可加深對彈力產(chǎn)生條件需要發(fā)生彈性形變的認(rèn)識.肉眼一般無法直接觀察到微小形變，實驗上利用放大思想，將微小形變轉(zhuǎn)化成肉眼能觀察到的信號，傳統(tǒng)方式有：液柱變化法，帶細(xì)管的裝滿水的封閉玻璃扁瓶，通過按壓扁瓶不同部位，可發(fā)現(xiàn)細(xì)管中的液面上升或下降；激光反射法，當(dāng)桌面在外力作用下發(fā)生形變時，激光筆發(fā)射出的激光通過平面鏡兩次反射，光點在接收屏的位置會發(fā)生明顯移動.由于準(zhǔn)備和操作較為困難，傳統(tǒng)演示效果難達(dá)到直觀、清晰地效果.筆者利用同屏技術(shù)和手機(jī)相機(jī)功能，能將水平桌面的微小形變直觀、清晰地讓教室里每位同學(xué)都能觀察到，解決了傳統(tǒng)演示方式的不足，同時此方式還具有成本低、易操作等優(yōu)點，有較高地推廣價值.此創(chuàng)新實驗設(shè)計獲得筆者所在市區(qū)創(chuàng)新實驗大賽一等獎.

1 靈感來源

生活中用手機(jī)拍攝遠(yuǎn)處物體，很難獲得較清晰的畫面，分析其原因不難發(fā)現(xiàn)，拍攝時手持手機(jī)難免會有微小的抖動，此時手機(jī)相機(jī)放大倍數(shù)很大，易導(dǎo)致手機(jī)屏中畫面有明顯的移動.反之，若將手機(jī)放置在水平桌面上，放大數(shù)倍的手機(jī)攝像頭對準(zhǔn)遠(yuǎn)處的參考點，若參考點位置在手機(jī)屏中有明顯的移動，可反映出手機(jī)位置處桌面發(fā)生了微小形變.

要將手機(jī)屏上的畫面“放大”，需借助同屏技術(shù)將手機(jī)屏畫面同步到投影屏上，便于教室里所有同學(xué)觀察.何為同屏技術(shù)？簡言之，在同一局域網(wǎng)中，將手機(jī)屏實時同步到電腦屏上，進(jìn)而同步到投影屏上，實現(xiàn)3屏同屏.同屏技術(shù)可將手機(jī)變成微型移動展臺，教室里的學(xué)生可通過投影屏實時地、直觀地看到手機(jī)屏中的畫面.

2 實驗操作及結(jié)果

具體操作步驟如下：

(1)筆者利用Total Control軟件實現(xiàn)同屏技術(shù)[1]，讓手機(jī)、電腦、投影屏3屏同屏；

(2)如圖1所示，實物裝置圖，擺放好手機(jī)和粉筆盒，調(diào)節(jié)手機(jī)相機(jī)放大倍率至最大，并調(diào)整手機(jī)和粉筆盒的位置，使“靜”字處在手機(jī)屏適中的位置；

圖1 驗證桌面微小形變實物裝置圖

(3)如圖2(b)所示，用力按壓手機(jī)前的桌面，手機(jī)會向前微小傾斜，對準(zhǔn)位置從O點下移至A1點，觀察“靜”字在手機(jī)屏中是向上還是向下移動；

(4)如圖2(c)所示，用力按壓手機(jī)后的桌面，手機(jī)會向后微小傾斜，對準(zhǔn)位置從O點上移至A2點，觀察“靜”字在手機(jī)屏中是向上還是向下移動.

圖2 驗證桌面微小形變的原理圖

未按壓桌面的手機(jī)屏中“靜”字如圖3(a)所示.當(dāng)按壓下手機(jī)前面的桌面時，可知手機(jī)對準(zhǔn)位置下移，而手機(jī)屏、電腦屏中的“靜”字會上移少許，具體效果如圖3(b)所示.當(dāng)按壓下手機(jī)后面的桌面時，可知手機(jī)對準(zhǔn)位置上移，而手機(jī)屏、電腦屏中的“靜”字會下移少許，具體效果如圖3(c)所示.

圖3 未按壓、前面按壓、后面按壓

同屏技術(shù)可實現(xiàn)手機(jī)屏、電腦屏、投影屏畫面實時同步，最終在投影屏上將“靜”字上下移動過程清晰地呈現(xiàn)出來，便于教室里所有同學(xué)獲取微小形變的感性認(rèn)知，進(jìn)而確定，下壓桌面時會使桌面發(fā)生下凹的微小形變.

3 實驗改進(jìn)

實驗操作過程中，遇到以下兩個問題：一是,手機(jī)側(cè)邊圓滑，無法直接立在桌面上；二是，從圖3可看出，硬質(zhì)桌面的形變信號并不太明顯，能否有更明顯的形變信號呢？

問題一的解決方案：如圖4(a)用兩個長尾夾從側(cè)面分別夾住手機(jī)，即可立于桌面上.不管是何種側(cè)邊形狀的手機(jī)，都可采用此方式來固定手機(jī)，可完美地解決不同手機(jī)類型固定的問題.

問題二的解決方案：兩手機(jī)結(jié)合，前后放大兩次.具體思路為，用手機(jī)拍攝參考“靜”字，放大一次，另用一手機(jī)拍攝前一手機(jī)屏中的“靜”字，再放大一次，實現(xiàn)兩次放大.如圖4(a)所示，將手機(jī)豎立在水平桌面上，打開手機(jī)相機(jī)并調(diào)節(jié)到最大放大倍數(shù)(6倍)，這是第一次放大，可將整個“靜”字顯示出來；再將另一個手機(jī)豎立且調(diào)節(jié)相機(jī)倍率至最大(5倍)，靠近并對準(zhǔn)前面手機(jī)的屏幕，這是第二次放大，不再顯示整個“靜”字，顯示靜字的部分筆畫.

圖4 二級放大實物圖及未按壓、前面按壓

連接好儀器后，按壓手機(jī)前面桌面，前面手機(jī)屏中的畫面有不太明顯的上移，后面手機(jī)屏中的畫面有較明顯的上移，具體效果如圖4(b)、(c) 所示.實驗時，利用手機(jī)同屏技術(shù)，可將手機(jī)畫面動態(tài)變化過程呈現(xiàn)在投影屏上，直觀地視覺體驗讓學(xué)生感受到了物理實驗的魅力.

4 總結(jié)展望

本實驗靈感來源于手機(jī)拍攝遠(yuǎn)景不清晰現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)了手機(jī)相機(jī)放大功能，可驗證放置手機(jī)的水平桌面的微小形變，并利用同屏技術(shù)將微小形變的“放大”信號動態(tài)地呈現(xiàn)在投影屏上，便于教室里每位同學(xué)觀察.本實驗具有以下幾個優(yōu)點：

(1)符合劉炳昇教授“瓶瓶罐罐做物理實驗”的理念.該理念要求原理簡單，學(xué)生易于理解，實驗器材來源生活，制作難度小，實驗操作簡單，效果明顯，用小而簡單的實驗解決大問題、復(fù)雜問題，達(dá)到四兩撥千斤的效果.如此，實驗可更加貼近學(xué)生、更易于接受，更具有親和力.

(2)信息技術(shù)融入實驗教學(xué)，成本低、易推廣.本實驗中，手機(jī)不可或缺，間接反映桌面微小形變，實現(xiàn)了信息技術(shù)與實驗深度融合.本實驗中所利用的同屏技術(shù)借助免費APP,同一局域網(wǎng)通過移動手機(jī)4G熱點搭建，無需耗費流量，不用增加經(jīng)濟(jì)成本.如今社會，智能手機(jī)幾乎人手一部，且都能熟練操作，使用無需培訓(xùn)學(xué)習(xí)，教師學(xué)習(xí)成本很低，因此手機(jī)融入實驗教學(xué)具有成本低、易推廣等接地氣的特點.

(3)能解決“放大”教室硬質(zhì)講臺桌面微小形變的真問題.真問題的提出，激發(fā)了學(xué)生參與課堂思考的積極性，學(xué)生提出了“側(cè)邊圓滑的手機(jī)如何站立”“如何使放大信號更明顯”等實際問題，通過課后師生的交流討論、不斷地嘗試，找到了用長尾夾固定手機(jī)、二級放大形變信號的解決方案，將物理學(xué)習(xí)自動延伸到實際問題研究當(dāng)中，大大激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)物理的熱情.

筆者在實踐過程中，發(fā)現(xiàn)還有些問題有待進(jìn)一步研究討論.選取怎樣的參照物，可以使放大信號更加明顯，便于學(xué)生觀察？不同手機(jī)的選取以及前后位置不同，是否會影響實驗效果？