自激式频闪摄影在物体运动规律研究中的应用

2012-07-19胡君亮

物理教师 2012年5期

胡君亮

（永康市第二中学，浙江永康 321300）

频闪照相是研究物体运动规律的常用方法，人民教育出版社现行高中物理教材中有5处涉及到频闪照相.频闪照相需要有B门的相机、频闪仪、暗室，并且拍摄对象与背景要有较大的对比度.一般学校没有这样的条件，中学物理教师也很少进行过频闪摄影.

图1

市场上有几元钱一支的荧光棒出售，它能发出各种规律组合的闪光.解剖开来发现内部构造非常简单：1片小集成块，3颗纽扣电池，3只分别发出红、绿、蓝色光的发光二极管，1个按钮.集成块外围电路如图1所示.按下按钮，3只发光二极管会产生各种频率、各种组合的闪光.拆下2只二极管，只用1只二极管，按动按钮，可以切换到频率为15Hz的闪光，把它固定在运动的物体上，拍照后可以根据照片研究物体的运动规律.由于拍摄的主体是闪烁的发光二极管，我们称之为“自激式频闪摄影”.

自激式频闪摄影对暗室没有特殊的要求，只要在稍暗一点的环境中就行.相机可以采用千元级别的数码相机，如佳能A510、A570、A590等.这类相机具有快门优先功能，曝光时间最长可达30s.拍摄时，将相机固定在三脚架上，调整好相机的高度以及与拍摄对象的距离，设定曝光时间，半按快门完成自动对焦.先让发光二极管闪烁，然后全按相机快门进行拍摄，再放手让物体运动，完成自激式频闪摄影.根据照片研究物体运动的规律.下面列举几个实例.

（1）研究自由落体运动规律.

图2

让发光体静止开始下落，拍摄的照片如图2所示.将照片导入PPT，作二极管每次闪光开始时的水平线，用双向箭头线段连接相邻的水平线，从图像属性上得到各双向箭头线段的尺寸，发现数据基本上满足1∶3∶5∶7∶9的关系.也可以将等间隔的刻度线导入，调整幅度，可以看到相邻两发光点间的距离为1∶3∶5∶7∶9的关系.

（2）研究平抛运动规律.

细线系着频闪发光体，拉开一定角度后放手让其往下摆动.当到达最低点时，放开细线，物体做平抛运动.实验具有偶然性，但总能拍摄出比较理想的照片，如图3所示.将照片导入PPT，添加方格进行检测，改变方格的高度和宽度，发现水平方向的格子为1∶1∶1∶1∶1，竖直方向的格子满足1∶3∶5∶7∶9，由此说明平抛运动的物体，水平方向是匀速运动，竖直方向是自由落体运动.

图3

（3）验证牛顿第二定律.

将带有滑轮的轨道后端适当垫高，以小车重力的下滑力平衡小车的摩擦力.用钩码的重力代替绳子对小车的拉力，进行验证牛顿第二定律的实验.

用10g的钩码拉绳子，拍摄的照片如图4－1所示，以5个闪光间隔为一个时间单位，在PPT中测得相邻两个时间间隔的长度为4.30、3.20，长度之差为1.10.

用20g的钩码拉绳子，拍摄的照片如图4－2所示，以5个闪光间隔为一个时间单位，在PPT中测得相邻两个时间间隔的长度为7.00、5.00，长度之差为2.00.

图4

用30g的钩码拉绳子，拍摄的照片如图4－3所示，以5个闪光间隔为一个时间单位，在PPT中测得相邻两个时间间隔的长度为8.20、5.20，长度之差为3.00.

实验表明，3次实验的拉力之比为1∶2∶3，长度差之比为1.10∶2.00∶3.00，加速度之比大概为1∶2∶3.

（4）用轨道小车探究碰撞中的不变量.

用垫高轨道一端的方法平衡摩擦力，运动的小车碰撞静止的小车，探究碰撞中的不变量.

① 完全非弹性碰撞.在运动小车上固定频闪二极管，两辆小车的碰撞位置都固定橡皮泥，测得运动小车质量m1＝113.5g，静止小车质量m2＝104.5g.拍摄照片如图5所示.将照片导入PPT，测得碰撞前10个时间间隔的移动长度是8.80，碰撞后两小车一起运动，10个时间间隔的移动长度是4.50.碰撞前的动量表达为p1＝m1L1＝113.5×8.80＝998.8，碰撞后的动量表达为p2＝（m1＋m2）L2＝218.0×4.50＝981.0，误差为1.8%.碰撞前动能表达为Ek1＝m1L12＝113.5×8.802＝8 789.4，碰撞后动能表达为Ek2＝（m1＋m2）L22＝218.0×4.502＝4 414.5，动能明显减小.

图5

② 非弹性碰撞.在运动小车上固定蓝色频闪二极管，被碰小车上固定绿色频闪二极管，在运动小车上固定铁块以增大质量.测得运动小车质量m1＝217.0g，静止小车质量m2＝111.0g.拍摄照片如图6所示.将照片导入PPT，测得运动小车碰撞前9个时间间隔的移动长度是7.45，碰撞后该运动小车9个时间间隔的移动长度是3.95，被碰小车9个时间间隔的移动长度是7.10.碰撞前的动量表达为p1＝m1L1＝217.0×7.45＝1 616.6，碰撞后的动量表达为p2＝m1L2＋m2L3＝217.0×3.95＋111.0×7.10＝1 645.2，误差为1.8%.碰撞前动能表达为Ek1＝m1L12＝217.0×7.452＝12 044.0，碰撞后动能表达为Ek2＝m1L22＋m2L32＝217.0×3.952＋111.0×7.102＝8 981.2，动能明显减小.

图6

③ 弹性碰撞.在运动小车上固定蓝色频闪二极管，被碰小车上固定绿色频闪二极管，在运动小车上固定铁块以增大质量，两辆小车都固定弹簧片.测得运动小车质量m1＝236.0g，静止小车质量m2＝126.5g.拍摄照片如图7所示.将照片导入PPT，测得碰撞前运动小车7个时间间隔的移动长度是5.50，碰撞后运动小车7个时间间隔的移动长度是1.40，被碰小车7个时间间隔的移动长度是7.30.碰撞前的动量表达为p1＝m1L1＝236.0×5.50＝1 298.0，碰撞后的动量表达为p2＝m1L2＋m2L3＝236.0×1.40＋126.5×7.30＝1 253.8，误差为3.4%.碰撞前动能表达为Ek1＝m1L12＝236.0×5.52＝7 139，碰撞后动能表达为Ek2＝m1L22＋m2L32＝236.0×1.42＋126.5×7.302＝7 203.7，碰撞前后动能基本相等.