智能手机拍摄功能在物理课堂教学中的应用

王 蕾

(江苏省苏州第一中学校,江苏 苏州 215006)

智能手机进入市场以来，相机的像素和分辨率大幅提升,同时拍摄功能也变得多样化．近几年,许多品牌手机的相机功能里除了正常照片、视频的拍摄外,还有两个摄影方式:慢镜头和延时摄影．

以电影技术为例,正常情况下,电影放映和拍摄转换频率是同步的,例如每秒拍24帧,放映时也是每秒24帧．如果拍摄时,加快拍摄频率,例如每秒48帧,然后放映时恢复每秒24帧,看到的画面就是原本很快速的运动被放慢了．这就是通常讲的“慢镜头”．相反,当拍摄频率减慢,小于每秒24幅时,放映时银幕上就出现了快动作,又称“延时摄影”功能．目前iphone手机慢动作可以达到每秒120帧和240帧,意思就是拍摄时,单位时间内增加5倍和10倍的采集量,播放时则就会将1 s的运动延长至5 s和10 s播放了．

慢动作可以让我们看到更多的细节,而快动作可以制造一些独立个性的视频,如天气变化、车流等．下面谈谈这些特殊的拍摄功能在高中物理课堂教学中的应用．

1 智能手机拍摄之慢动作在物理实验中的应用

高中物理课上演示的许多实验多发生在短暂的时间内,所以有心的教师会将一些比较难观察的物理实验通过提前录像的方式采集好视频,课堂上回放．这样做有两个缺点: (1) 视频不是当场录制,多了份神秘感,让学生产生怀疑．(2) 如果实验现象短暂的话,那录像呈现效果和实验是一样的．而手机慢拍功能恰恰能弥补这两个不足之处．

1.1 定性分析

案例1: 探究平抛运动的分运动.

常见的平抛实验演示仪如图1所示,验证竖直方向与自由落体同步都是采用听声音的方法,即平抛与自由落体同时出发,同时落地,说明竖直方向的同时性．可在如此短暂的瞬间,学生无法肉眼看清两个运动竖直方向的同时性．

图1 平抛实验演示仪

打开手机慢拍功能如图2所示,教师负责演示,请学生用手机同步录相．将视频投放到教室投影幕上,与学生共同探讨两种运动竖直方向上的共性．学生在慢动作录像中会清楚地看到,两小球除了同时落地,其他任意时间两小球始终在一条水平线上(教师可用暂停播放的方式),如图3所示．如果有条件,也可以让学生用自己的手机选择正确的角度共同录像,一同参与,这样互动更好．

图2 慢动作拍摄界面

图3 平抛运动与自由落体运动的对比

建议: (1) 有的演示仪带水平运动分析的,那在慢镜头拍摄下,平抛运动水平方向的匀速直线运动特征也是一览无遗,如图4所示．

图4 平抛运动与匀速直线运动的对比

(2) 有条件的班级(液晶显示屏可以用专用笔留痕迹)甚至可以在显示屏投放慢动作视频的同时,描绘平抛小球的轨迹,并在轨迹上做等时间(水平方向等间距)处理,从而获得频闪照片的效果．

可见,慢拍功能在两个快速运动需要发生对比的时候,能体现出更好的效果．

1.2 半定量分析

案例2: 探究牛顿第二定律.

图5 实验装置(侧视图)

“两个小车后端各系一条细绳,用一个物体,例如黑板擦,把两条细线同时按在桌子上,使小车静止．抬起黑板擦,两个小车同时开始运动,按下黑板擦,两个小车同时停下来．用刻度尺测出两个小车通过的位置,位移之比就等于它们的加速度之比．为了改变小车的质量,可以在小车中增减物重” (如图6).

图6 实验装置(俯视图)

很显然,教科书上提供的“抬起”、“按下”黑板擦是为了控制相同的运动时间,在实际的操作中,还是有许多细节需要考虑,否则很可能导致结果不准确．

若采用慢拍功能,录下一段短暂的运动过程,回放过程,可取任意瞬间暂停,获得位移比(如图7),有效地避免了由按下黑板擦带来的误差．同时要注意,为了获得比较准确的位移比,长木板边还是最好要有刻度．另外,拍摄要注意角度合适,避免读数误差．

图7 对比探究牛顿第二定律慢动作拍摄效果

图8 探究弹性势能与形变量的关系装置图

1.3 定量分析

案例3: 探究弹性势能表达式.

如图8所示,弹簧下端挂上钩码,钩码下落过程重力势能转化为弹簧弹性势能．当钩码运动到最低点时,速度为0,减小的重力势能全部转化为弹簧弹性势能．这样可以求得弹性势能的大小．要求得减少的重力势能,难度在于捕捉运动的最低点．纵然在整个装置后面立衬一把毫米刻度尺,也会因为振子运动太快而来不及观察．此时手机慢拍功能又可以助上一臂之力．

打开手机慢拍功能,将实验全过程拍摄记录下来．分别找出未挂钩码时、弹簧伸长到最长时,钩码的相关位置,计算出高度的变化(弹簧相对于原长的形变量),再求出重力势能的减少量，并获得多组弹簧形变量与弹性势能关系,作出图像,进一步探寻得到弹性势能的表达式．当然,慢拍视频毕竟是动态的,如需准确读数,还需录像暂停功能加以辅助．

可见,只要细心发掘,慢拍功能在高中物理课堂还是可以有很多出彩的地方．如果仅用于现象观察的话,惯性定律(如图9)、超失重(如图10)、自感现象、楞次定律等都能拍出不错的效果．

图9 惯性定律慢拍效果

图10 完全失重慢拍效果

2 智能手机拍摄之延时摄影在物理实验中的应用

延时摄影是一种将时间压缩的拍摄技术,把几分钟、几小时、甚至几天、几年的过程压缩在一个较短的时间内以视频的方式播放．有部分物理实验过程比较长,甚至有些在课堂时间内无法完成,就可以考虑用延时摄影技术了．

案例4: 气体(固体)的扩散现象.

液体的扩散现象非常便于观察,但气体扩散时间就稍长,固体扩散时间更长．

两瓶NO2气体分别与两个空集气瓶对接,中间用薄玻璃板分隔,抽去其中一块玻璃板,会发现气体扩散现象．时间越长,扩散越充分．利用延时摄影技术,在十几秒内的时间里将NO2充分扩散的全过程一气呵成．这样可以避免截视频片段破坏实验完整性或课堂中不必要的等待(如图11)．

苹果IOS 8 相机应用的延时摄影有“动态选择间隔”的功能,任何长度的延时摄影都会被缩减至20～40s．用户不需要知道延时摄影视频的长度,相机应用会在摄影时间增加时自动切换帧率．这样就是说,哪怕是很长的实验过程也可以利用课堂时间展示．当然考虑到内存以及手机能耗等自身限制,用手机拍摄的话还是不建议时间过长．有兴趣的教师不妨借用更高级的摄影装备进行拍摄．

图11 气体扩散现象

3 关于智能手机摄像的几点补充

(1) 关于支持特殊拍摄功能的手机型号.

目前支持慢拍功能的手机主要是苹果系列,iphone5S以上的机型都可以尝试使用．安卓系列手机也有部分款具备该功能．网上也有介绍手机软件可以后期将正常视频处理为慢动作视频．事实上,慢镜头高帧率实质是因为在拍摄过程中提高了频率(每秒采集更多帧),其他手机若无法满足该要求,后期即使放慢播放频率,看到的也不是连贯的慢动作视频,视觉上会有明显顿挫感．因此慢镜头取决于硬件,而不是软件．

(2) 关于手机与电脑的链接.

实验完毕,教师可通过应用软件(例如AirPlay)、网络聊天工具(QQ、微信)等方式投于大显示屏.但前提是手机及投频设备都可以链接网络,甚至是同一个局域网(例AirPlay)．在条件无法满足时,实物投影直接取景手机屏幕效果也很好．

(3) 关于慢拍或延时拍摄视频的保存.

将手机拍摄好慢镜头或延时摄影录像后转存于电脑上播放时,慢动作效果消失了．所以如需保存,必须先在iPhone手机中iMove软件上进行转换后保存．

参考文献：

1 人民教育出版社.普通高中课程标准实验教科书物理必修1(第3版)[M].北京:人民教育出版社,2010:72-73.

2 唐光善.例谈智能手机在物理教学中的应用[J].中学物理，2016(7)： 64-65.