使用PC多媒體接口設(shè)備改進基礎(chǔ)物理實驗教學(xué)

王 茵，陳 悅，王宏宇

(鞍山師范學(xué)院 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,遼寧 鞍山 114007)

近年來，計算機多媒體技術(shù)的發(fā)展為物理教學(xué)提供了新的手段.一般來說，采用多媒體技術(shù)來組織課堂、提供更有效的教學(xué)方式已為教師們所熟知.但多媒體設(shè)備除了可以作為教學(xué)輔助渠道外，還可以作為物理實驗的輔助測量工具和控制工具來使用.例如，聲卡實質(zhì)上是一組工作在音頻下的模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換和數(shù)字信號處理器，可以用聲卡的輸入接口對低于音頻的電壓信號進行測量.由于這些接口都已經(jīng)封裝在標準計算機的接口電路中，其增量成本微乎其微，同時計算機強大的數(shù)據(jù)處理功能大大簡化了一些復(fù)雜的數(shù)據(jù)分析.

PC多媒體接口設(shè)備改進基礎(chǔ)物理實驗教學(xué)這一基本思想主要包括時間數(shù)據(jù)測量(采樣)、幾何測量、數(shù)據(jù)處理、信號產(chǎn)生等幾個部分.下面將簡述一些主要的應(yīng)用創(chuàng)新，討論其在教學(xué)中可能的應(yīng)用及需要特殊注意之處.

1 多媒體接口測量的主要應(yīng)用

1.1 聲卡接口用于數(shù)據(jù)讀取和時間序列測量

在中學(xué)物理實驗和大學(xué)低年級物理實驗設(shè)計中，時間測量具有根本的意義.即使在中學(xué)階段，需要跟蹤千分之一秒過程的物理問題也相當常見，而實踐中執(zhí)行小于百分之一秒的精確時間測量都很困難.

計算機聲卡具有輸入和輸出接口，其輸入接口按照一定的采樣率讀取電壓信號，并轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號存儲起來.標準的聲卡具有至少48 kHz的采樣率，相當于一個20微秒分辨率的計時器，而且實踐中很多聲卡具有96 kHz，甚至128 kHz的實際采樣率，那么萬分之一秒精度的時間測量就變得很容易.

由于空氣中聲速約為340 m/s,對于一米左右的麥克風距離，兩點信號延遲約3 ms，這完全可以從聲卡采樣中讀取出來.實踐中，將信號輸入聲卡的兩個輸入通道，比對兩個通道信號的形狀就可以得出延遲時間.即使在最壞(粗糙)的情況下，采樣精度導(dǎo)致的誤差也不超過5‰.相關(guān)的研究表明，即使測量聲音在水中的傳播，這一方法仍然可以得到相當好的結(jié)果[1].

聲卡接口的一個典型應(yīng)用是聲速的測量[2].原理圖如圖1.

根據(jù)聲卡接口的這一特點，可以對高中《自由落體運動》一課中“用打點計時器研究自由落體運動”這一實驗進行改進.將物塊開始自由下落和落地兩個信號輸入聲卡的兩個輸入通道，對比兩個信號得到物塊下落時間，這樣避免了原實驗中紙袋與打點計時器間的摩擦對實驗帶來的誤差，可以有效提高結(jié)果的精確度.

圖1 聲速測量實驗原理圖

聲卡記錄的信號以wav文件的形式直接存儲在磁盤上，這使得對其進行數(shù)據(jù)處理變得非常容易.一個例子是利用聲卡記錄的信號實現(xiàn)多普勒效應(yīng)的定量測量[3,4]：將單頻聲源固定在運動物體上，記錄麥克風接收到的信號，進行傅里葉變換得出運動后的頻率.實際的校驗測試表明(見圖2)，這一方法即使對于1 m/s的運動，仍然能獲得精度5%以內(nèi)的定量結(jié)果.

圖2 多普勒效應(yīng)實驗設(shè)備圖

聲卡實現(xiàn)多普勒效應(yīng)這一實驗可以使用在高中《多普勒效應(yīng)》一課中，在原來觀察者與隊伍相向行走和背離行走的模擬實驗的基礎(chǔ)上，聲卡實現(xiàn)的多普勒效應(yīng)實驗可以使學(xué)生更直觀地觀察到實驗現(xiàn)象，通過實驗數(shù)據(jù)的分析也能使學(xué)生更容易理解多普勒效應(yīng)中頻率的變化情況.

上述多普勒測量的另外一個例子是根據(jù)麥克風記錄到的聲音頻率來分析飛機起飛和落地的速度[5]：由于多普勒效應(yīng)，飛機起降時的噪音譜會明顯增寬，利用增寬隨時間的變化可以估計出飛機速度的變化.中學(xué)物理教學(xué)提倡從生活走向物理、從物理走向社會，學(xué)習(xí)了使用聲卡實現(xiàn)的多普勒效應(yīng)實驗后，若再開展社會實踐活動走進社會走進機場，將課堂上的物理知識與生活實際相結(jié)合，對學(xué)生興趣和能力的培養(yǎng)都會是有意義的一課.

1.2 用聲卡實現(xiàn)光電門功能

時間測量的標準化設(shè)備之一是光電門.如前所述，聲卡的信號讀取能力可以實現(xiàn)非常簡單的光電門，只需要附加一個簡單的電壓分配電路即可[6-8].一個典型的例子參見圖3，光信號照射在光電二極管上使二極管導(dǎo)通，電壓下降，從而在聲卡輸入端產(chǎn)生一個電壓脈沖，直接觀察聲卡記錄就可以獲得數(shù)據(jù).

關(guān)于光電門還有另外一種應(yīng)用.聲卡的優(yōu)點在于計時準確，對于秒到毫秒級別的測量能夠提供很好的效果.但若需要計時的是分鐘級別以上，使用聲卡可能產(chǎn)生過大的wav文件，讀取不太方便.這時可以采用鼠標輸入端口(盡管鼠標器嚴格說來并不是一種多媒體設(shè)備).方法是將鼠標器的按鍵開關(guān)分斷并且連接到光電二極管上，這樣光電二極管的導(dǎo)通就等效于一次鼠標按鍵，只要再寫一個非常簡單的程序就可以捕獲鼠標按鍵并且計時.當然，由于鼠標的延遲時間一般來說在若干毫秒的量級，這一方法的精度不如聲卡讀取.

圖3 簡易光電門原理

使用PC多媒體接口聲卡或鼠標來實現(xiàn)的光電門可以用于中學(xué)氣墊導(dǎo)軌測速度實驗、測量重力加速度實驗、探究碰撞中的不變量實驗等，簡單的實驗裝置可以有效簡化原實驗中固有的實驗設(shè)備，還可以避免原有實驗中摩擦對實驗結(jié)果帶來的影響，能夠有效提高實驗的效率和精確度.

1.3 將圖像設(shè)備用于幾何測量、幀跟蹤等

就物理實驗教學(xué)而言，圖像設(shè)備的應(yīng)用要稍弱于聲卡的時間跟蹤應(yīng)用.這主要是因為圖像設(shè)備基本是一種幾何測量工具，但相比于標準的尺度測量，圖像設(shè)備的幾何測量并無精度優(yōu)勢.

圖4 在攝像頭上拍到的擴散過程和半徑估計

盡管如此，仍然能利用計算機的圖形能力進行幾何測量.傳統(tǒng)的照片應(yīng)用如視差分析[9].在圖4的例子中[10]，作者用攝像頭拍攝的圖片觀測墨水在水中的擴散速度，利用計算機的圖像處理工具，可以將擴散圖形匹配為一個圓，從而找出擴散半徑.因為視頻設(shè)備實現(xiàn)了每秒10 fps以上的圖像記錄，所以可以容易地作出擴散半徑隨時間的變化曲線，這是其他方法難以做到的.另一研究中[11]，作者利用圖像軟件在視頻數(shù)據(jù)的各個幀上跟蹤灰度的變化，從而找到影子通過建筑物的速度，進而求得地球的半徑.

攝像頭的連續(xù)拍攝功能也可以很好地應(yīng)用在中學(xué)物理教學(xué)中.例如，中學(xué)物體勻速直線運動實驗、高中的勻變速直線運動實驗、平拋運動實驗、探究碰撞中的不變量實驗、單擺實驗等都可利用攝像頭的連續(xù)拍攝功能，再結(jié)合軟件對拍攝物體運動的視頻進行處理分析進行教學(xué).圖5(a)為兩球碰撞實驗[12,13]，將tracker軟件應(yīng)用于該實驗的測量和數(shù)據(jù)處理.攝像頭拍攝兩球碰撞的視頻，再通過tracker軟件建立動態(tài)質(zhì)點模型，追蹤研究對象的運動軌跡(見圖5(b))，使運動情況更為直觀、可視化，使用tracker軟件對數(shù)據(jù)進行處理并分析運動情況，如位移—時間關(guān)系、速度—時間關(guān)系、加速度—時間關(guān)系等，圖5(c)為兩球碰撞中其中一個球在碰撞前后的位移時間圖像，由此可輕松得到碰撞前后該球運動的速度，再結(jié)合碰撞物體的質(zhì)量，即可找到碰撞過程中的不變量，不僅提高了實驗的效率，還能達到使學(xué)生更容易理解相關(guān)理論知識的效果.

當然，使用tracker軟件可以實現(xiàn)圖4中墨水的擴散情況的半自動化追蹤，使用攝像頭拍攝視頻并結(jié)合軟件處理可以大大降低理論知識和實驗操作的難度，但對物體運動軌跡的追蹤也存在一定困難.在一定程度上來講，視頻錄制的幀率越高，物體運動記錄越準確，能減小軌跡追蹤時的誤差.軌跡追蹤時，tracker軟件可以實現(xiàn)半自動化追蹤研究對象，但偶爾會出現(xiàn)干擾，進行手動追蹤時，由于物體有一定的大小，投影也存在誤差，并不能保證每次追蹤的是研究對象上的同一位置.當研究物體快速運動時，視頻文件存在插值問題，有些幀并不是研究對象實際位置的拍攝而是兩個圖像疊加而成，所以也將導(dǎo)致追蹤的結(jié)果存在一定誤差.一般的攝像頭提供的fps數(shù)目偏低，特別是很多中間幀實際是通過插值產(chǎn)生的，因此其精度存在一定的問題.

圖5 tracker軟件應(yīng)用于運動學(xué)碰撞實驗

2 改進中需要注意的問題

本文簡述了多媒體接口設(shè)備作為測量工具和控制設(shè)備(信號發(fā)生器)在中學(xué)物理實驗中的應(yīng)用.可以看到，依賴多媒體設(shè)備的數(shù)據(jù)讀取能力和計算機的數(shù)據(jù)處理能力，許多測量較為困難和不夠直觀的中學(xué)(甚至大學(xué)低年級)物理教學(xué)演示實驗都可以被重新設(shè)計為簡單直觀且原理清晰的形式，從而達到更好的教學(xué)效果，對理論的理解也更為容易.而一些非常陳舊和難以控制的教學(xué)實驗設(shè)備也可以改為更為靈敏和簡便的實驗形式.在學(xué)生掌握了這些接口的特性后，還可以自行設(shè)計更有挑戰(zhàn)性的實驗.

與此同時，這類改造也存在一些問題.首先，多媒體接口的低成本是依賴于計算機的，也就是說首先要實現(xiàn)計算機的普及才能讓學(xué)生完全自由地設(shè)計和完成這類實驗.遺憾的是，隨著計算機設(shè)備的便攜化，其外接接口變得越來越簡樸，例如，許多筆記本就沒有Line-In接口而只有Mic-In接口，從而雙通道輸入無法實現(xiàn)；大部分平板電腦甚至沒有Mic phone輸入接口.其次，很多改造在使實驗變得簡單的同時，都要涉及數(shù)據(jù)處理和濾波等問題.例如，視頻數(shù)據(jù)的中間幀可能是軟件插值得來，并非實際拍攝；麥克風錄音很多時候也存在中間放大和濾波導(dǎo)致的信號變形.當然在本質(zhì)上這是現(xiàn)代科學(xué)實驗的特性：一切測量都是設(shè)備采樣濾波的過程，但給中學(xué)生乃至大學(xué)新生解釋這些問題絕非易事，甚至需要教師對測量理論有很好的理解.最后，可以預(yù)期，上述改造要求物理教師具有一定電子技術(shù)方面的基礎(chǔ)知識作為支撐.