新型頻閃照相系統(tǒng)的研制與應(yīng)用

摘? ?要：文章介紹了一種性價比較高的自制新型頻閃照相系統(tǒng)，該系統(tǒng)由數(shù)碼單反相機、LED自攜式頻閃儀、快門同步控制器和運動軌跡分析軟件四部分組成。著重論述了LED自攜式頻閃儀和快門同步控制器的結(jié)構(gòu)及工作原理，通過實例說明如何用該頻閃照相系統(tǒng)拍攝物體運動的頻閃照片，用運動軌跡分析軟件精確測定運動物體在不同時刻位置的像素點坐標(biāo)，從理論上推導(dǎo)出實際位置坐標(biāo)和像素點坐標(biāo)之間的關(guān)系，以及用電子表格處理數(shù)據(jù)的優(yōu)勢。

關(guān)鍵詞：頻閃照相;LED自攜式頻閃儀;快門同步控制器;運動軌跡分析

中圖分類號：G633.7 文獻標(biāo)識碼：A ? ? 文章編號：1003-6148（2020）7-0046-4

研究物體的運動，需要記錄它不同時刻的空間位置，或者直接顯示其運動軌跡?，F(xiàn)行高中物理課本中采用了三種實驗裝置來定量研究物體的運動，分別是打點計時器、頻閃照相系統(tǒng)和傳感器。由于傳統(tǒng)頻閃照相有諸多不便，無法在課堂上實施，所以一般僅讓學(xué)生觀看現(xiàn)成的照片。用傳感器研究物體的運動，雖然快捷、直觀，但由于經(jīng)費有限，一般學(xué)校的實驗室沒有實驗裝備，無法開展實驗。

研究物體運動最常用的儀器是打點計時器，打出的紙帶需要用刻度尺測量數(shù)據(jù)。因為用計算機處理數(shù)據(jù)還需一個錄入數(shù)據(jù)的過程，比較耗時，所以實際實驗操作中一般用手工處理數(shù)據(jù)，信息化程度不高。同時，打點計時器對研究對象的運動有影響，且實驗操作過程比較繁瑣。

隨著科學(xué)技術(shù)的進步，照片存儲方式由膠片改為數(shù)字存儲，再加上數(shù)碼相機的普及，這為我們重新利用頻閃照相研究物體的運動創(chuàng)造了條件。筆者在教學(xué)中研發(fā)了一套成本低廉、可靠性高、實驗效果顯著的頻閃照相系統(tǒng)。該系統(tǒng)有別于傳統(tǒng)頻閃照相系統(tǒng)，室內(nèi)光線對頻閃照片的影響很小，所以能當(dāng)堂實驗，即時用計算機處理數(shù)據(jù)，大大減少了實驗時間。

1? ? 新型頻閃照相系統(tǒng)的組成及基本工作原理

該系統(tǒng)中最重要的實驗器材是數(shù)碼單反相機，我們要用相機的慢快門記錄物體的運動軌跡。LED自攜式頻閃儀能在運動軌跡中加入時間信息，且能實現(xiàn)教室內(nèi)當(dāng)堂實驗;快門同步控制器精準(zhǔn)控制快門開啟時小車（或小球）開始運動;“運動軌跡分析”軟件抓取頻閃照片中的位置坐標(biāo)，并自動發(fā)送到Excel表格中。

1.1? ? LED自攜式頻閃儀

1.1.1? ? 頻閃儀的結(jié)構(gòu)

LED自攜式頻閃儀由步進電機驅(qū)動模塊、6 V直流電源（2塊CR2032鋰電池）和直徑為3 mm的發(fā)光二極管三部分組成。圖1是自攜式頻閃儀內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)圖，SW1為電源開關(guān)，SW2為頻率選擇開關(guān)。圖2是自攜式頻閃儀的外觀圖，背部粘有魔術(shù)貼的勾面。魔術(shù)貼的毛面粘在小車的側(cè)面，實驗時頻閃儀和小車通過魔術(shù)貼連接。

1.1.2? ? 頻閃儀的基本原理

當(dāng)電源開關(guān)閉合時，步進電機驅(qū)動模塊發(fā)出的窄脈沖驅(qū)動LED二極管發(fā)出頻閃光。頻閃儀被安裝在運動物體上，這樣相機拍攝到一串LED頻閃發(fā)光小亮點，即為物體運動過程的頻閃照片。

步進電機驅(qū)動模塊有兩路獨立的矩形波信號輸出，可以分別設(shè)置頻率、占空比。頻率和占空比在模塊的數(shù)碼管上直接顯示。該模塊工作電壓為5～30 V，輸出電流在8～30 mA之間，輸出峰值電壓為5 V，頻率范圍為1 Hz～150 kHz，占空比在1%～99%之間調(diào)節(jié)。

圖3是矩形波信號的示意圖，T為周期，t為一個周期內(nèi)高電平持續(xù)的時間（脈沖寬度）。信號的占空比指的是高電平持續(xù)的時間與整個周期的比值，即：

步進電機驅(qū)動模塊輸出高電平時，二極管發(fā)光;模塊輸出為低電平時，停止發(fā)光。占空比越小，電路高電平輸出時間就相對越短，二極管發(fā)光時間也就越短。為了減小頻閃記錄點的拖尾現(xiàn)象，在拍攝出清晰的頻閃記錄點的前提下應(yīng)盡量減小占空比。

1.1.3? ? 頻閃光源的頻率

考慮到高中物理實驗中常用的頻率，兩路矩形波信號輸出頻率分別設(shè)定為10 Hz和25 Hz，用波段開關(guān)SW2選擇。為了獲得清晰的頻閃記錄點，且無明顯拖尾，反復(fù)實驗后，占空比分別設(shè)為1%和2%，在應(yīng)用中無需調(diào)節(jié)占空比，直接切換合適的頻率使用。

為了提高實驗的可信度，需要用數(shù)字存儲示波器對自攜式頻閃儀的頻率進行精準(zhǔn)測定。標(biāo)稱10 Hz的頻閃光源的精確頻率為10.04 Hz，標(biāo)稱25 Hz的頻閃光源的精確頻率為25.12 Hz，偏差均小于0.5%。在一般的實驗中，我們?nèi)匀挥?0 Hz和25 Hz確定頻閃時間間隔。

1.1.4? ? LED自攜式頻閃儀的優(yōu)點

由于LED自攜式頻閃儀的功耗很低，所以不需要和快門聯(lián)動，只需實驗開始前打開頻閃儀的開關(guān)，實驗結(jié)束關(guān)閉開關(guān)即可。另外，該頻閃儀的制作成本很低，便于推廣。

1.2? ? 快門同步控制器

在頻閃照相時，若靠人工釋放物體，釋放的過早或過遲，會造成物體的運動軌跡記錄不全，造成軌跡缺頭或缺尾，影響實驗進程。要想拍攝出物體運動全程的軌跡，必須有充裕的快門時間，但這又會造成過度曝光，記錄的頻閃點不清晰，影響數(shù)據(jù)測量。最佳的狀態(tài)是，物體開始運動時快門開啟，到達終點時快門關(guān)閉?？扉T同步控制器就是要實現(xiàn)快門開啟和物體開始運動的同步。因照片以數(shù)字方式存儲，所以快門關(guān)閉時刻無需精準(zhǔn)控制，只要快門時間略大于物體運動時間，在運動結(jié)束后快門自行關(guān)閉，就可以拍出完美的頻閃照片。

1.2.1? ? 快門同步控制器的結(jié)構(gòu)

該頻閃照相系統(tǒng)的快門同步控制器，充分發(fā)揮了照相機閃光燈無線觸發(fā)器（包括發(fā)射器和接收器）的作用，和雙D觸摸開關(guān)電路模塊、電磁鐵一起組成頻閃照相快門同步控制器，如圖4所示。雙D觸摸開關(guān)電路模塊、開關(guān)電路電源B1和輔助電路組裝在一個盒子里（以下簡稱控制盒），如圖5所示。閃光燈接收器和控制盒是分離的，通過熱靴接口接駁，沒有破壞接閃光燈接收器的結(jié)構(gòu)，不影響閃光燈觸發(fā)器在日常拍照時的應(yīng)用。開關(guān)SW1和SW2集成到同一個的鈕子開關(guān)（2擋4腳）中，同時控制開關(guān)電路和工作電路的通斷。控制盒的輸出接線柱與繼電器的常閉端相接。

進行實驗拍照時，將鐵芯為軟鐵的電磁鐵固定在長木板的一端，閃光燈發(fā)射器安裝在數(shù)碼相機的熱靴上，閃光燈接收器安裝在快門同步控制盒上?？刂坪械妮斎攵私又绷?～9 V電源，輸出端接電磁鐵，輸入和輸出共用一個負(fù)接線柱。需要說明的是，控制盒可以和任意型號的閃光燈觸發(fā)器匹配，實驗前一定把接收器的開關(guān)置于“W”端。

1.2.2? ? 快門同步控制器的工作原理

按下照相機快門時，閃光燈接收器接收到來自發(fā)射器的無線觸發(fā)信號，立即給雙D觸摸開關(guān)的控制端“M”輸入一個上沿脈沖，繼電器的常閉端打開，電磁鐵失去磁性而釋放小車?？扉T同步控制小車運動的流程如圖6。

雙D觸摸開關(guān)上電時，輸出存在不確定性。因此，當(dāng)指示燈不亮?xí)r，表明電磁鐵不通電，這時需要按下閃光燈發(fā)射器上的測試按鈕，使開關(guān)電路發(fā)生翻轉(zhuǎn)，電磁鐵通電，吸住小車（或小球）。

1.3? ? “運動軌跡分析”軟件

將頻閃照片傳至電腦后，用一款名為“運動軌跡分析”的軟件打開頻閃照片，該軟件會自動打開一個關(guān)聯(lián)的Excel電子表格。在頻閃照片中選取若干連續(xù)的頻閃記錄點來研究物體的運動，用鼠標(biāo)光標(biāo)在頻閃記錄點上依次單擊，獲取其相對于照片左上角的二維像素點坐標(biāo)，并自動發(fā)送到電子表格中。根據(jù)頻閃儀的光源頻率，在電子表格中修改時間信息，之后再進行數(shù)據(jù)處理。

該軟件的詳細應(yīng)用在后面的實例中再進行闡述。

2? ? 用新型頻閃照相系統(tǒng)研究物體的運動

2.1? ? 照相機安裝及參數(shù)設(shè)定

頻閃照相實驗完全可以在教室或?qū)嶒炇覂?nèi)進行。為了讓運動物體的頻閃記錄點更加清晰、可見，實驗中可拉上窗簾，選取黑色或白色的背景進行拍攝。

用三腳架固定數(shù)碼相機，相機架設(shè)時一定要保證鏡頭正對運動視場，鏡頭離運動物體2 m左右（視鏡頭的焦距而定，焦距越短，距離越近）。參考三角架上的水準(zhǔn)儀，調(diào)整相機前后方向、左右方向水平，防止照片中的豎直方向和實際豎直方向出現(xiàn)偏差。

相機選擇快門優(yōu)先模式，快門時間根據(jù)研究對象的運動時間設(shè)定（略大于運動時間）。先預(yù)測運動時間，預(yù)拍后根據(jù)照片情況再做調(diào)整。在快門優(yōu)先模式下，感光度ISO和光圈大小根據(jù)室內(nèi)光線和快門時間自動調(diào)節(jié)，不需要人工設(shè)定，可快速拍攝，節(jié)約實驗時間。

為了實現(xiàn)快門的開啟和小車開始運動的同步，相機的閃光燈參數(shù)設(shè)置為“強制閃光”（不同品牌相機的菜單有所不同，具體的設(shè)置方法參考照相機說明書）。為了避免手按快門時相機的抖動，可以通過以下三種方式實現(xiàn)快門開啟：快門線拍攝、延時自拍、遙控器拍攝。

為了減小實驗誤差，鏡頭最好用定焦鏡頭，焦距越短，照片產(chǎn)生的畸變越小。

2.2? ? 實驗操作

我們以實驗“探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系”為例，說明如何使用該頻閃照相系統(tǒng)研究物體的運動。在該實驗中，需要測量不同條件下小車的加速度，我們就某次實驗為例說明如何進行頻閃照相，具體操作如下：

①安裝好長木板，將頻閃儀安裝在小車上，平衡小車所受的摩擦力;

②連接電路，快門同步控制器的輸入端接在直流6 V電源上，輸出端接電磁鐵;

③將閃光燈發(fā)射器安裝在照相機的熱靴上，接收器安裝在快門同步控制盒上，并將接收器的開關(guān)置于“W”端;

④打開控制器的開關(guān)，電磁鐵吸住小車，把鉤碼掛在細線末端，調(diào)節(jié)細線和木板平行;

⑤打開頻閃儀的開關(guān)，選擇合適的頻閃頻率;

⑥將相機拍照模式調(diào)為快門優(yōu)先模式，設(shè)置快門時間，對焦點選擇在標(biāo)尺上，對焦后按下快門，開始拍攝;

⑦拍照結(jié)束后，分別關(guān)閉控制器和頻閃儀的開關(guān)，觀察成像質(zhì)量;

⑧若照片不理想，則調(diào)節(jié)照相機參數(shù)，重新實驗。

圖7是該實驗中拍攝的其中一張照片，頻閃光源頻率為25 Hz，快門時間為1.3 s。盡管實驗室內(nèi)開著燈，但頻閃記錄點依然清晰可見。

2.3? ? 數(shù)據(jù)測量及處理

把實驗中拍攝的頻閃照片導(dǎo)入到電腦中，用一款名為“運動軌跡分析”的軟件進行數(shù)據(jù)處理。下面以“探究加速度與力、質(zhì)量的關(guān)系”實驗中拍攝的其中一張頻閃照片為例，來說明如何用該軟件進行數(shù)據(jù)測量和處理。

打開該軟件，點擊軟件中的“載入圖片”，選擇要研究的照片，確定后會自動打開一個關(guān)聯(lián)的Excel表格。圖8是用該軟件打開頻閃照片時的截屏。

點擊“放大”或“縮小”，便于精準(zhǔn)定位。在讀取數(shù)據(jù)的過程中，照片不可以再放大或縮小，拖動水平或豎直滾動條方便選擇頻閃記錄點。

先點擊“讀取標(biāo)尺”，在標(biāo)尺上取兩個點依次點擊，把狀態(tài)欄中標(biāo)尺數(shù)據(jù)△x、△y復(fù)制到電子表格中，兩點間的實際距離也錄入到電子表格中。再點擊“讀取坐標(biāo)”，光標(biāo)置于頻閃記錄點正中心單擊，該點的像素點坐標(biāo)值會自動發(fā)送到Excel表格中。由于電磁鐵剩磁的影響，前端幾個密集的頻閃記錄點不要讀取;小車運動到長木板末端時，要阻攔小車，所以標(biāo)尺刻度為60 cm之后的點也不要讀取，中間的頻閃記錄點按順序依次點擊。之后根據(jù)實驗中頻閃儀光源的頻率修改電子表格中的時間信息。

可以用Excel處理數(shù)據(jù)，本文不再冗述。

3? ? 結(jié)? 語

通過用自攜式頻閃儀和數(shù)碼相機慢快門拍照的方式，可以準(zhǔn)確記錄研究對象的運動情況，“運動軌跡分析”軟件可以精確測定運動物體在不同時刻的位置坐標(biāo)，電子表格能夠快速處理數(shù)據(jù)。該頻閃照相系統(tǒng)完全可以進入中學(xué)物理實驗室，成為信息技術(shù)與物理課程整合、教育手段現(xiàn)代化的一個新的突破口，而且還能突出物理學(xué)科重實際、重應(yīng)用的特點，對培養(yǎng)學(xué)生實踐動手能力，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)科技的興趣，提高綜合素質(zhì)和發(fā)展創(chuàng)新思維發(fā)揮著重要的作用。

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（欄目編輯? ? 王柏廬）

收稿日期：2020-01-29

基金項目：本文為2018年度甘肅省“十三五”教育科學(xué)規(guī)劃一般自籌課題“以培養(yǎng)物理學(xué)科核心素養(yǎng)為目的的習(xí)題教學(xué)研究”（課題立項號GS[2018]GHB1074）的研究成果。

作者簡介：張多生（1974-），男，中學(xué)一級教師，主要從事高中物理教學(xué)工作，曾獲甘肅省2018年優(yōu)課二等獎。