使用PC多媒体接口设备改进基础物理实验教学

王 茵，陈 悦，王宏宇

(鞍山师范学院 物理科学与技术学院,辽宁 鞍山 114007)

近年来，计算机多媒体技术的发展为物理教学提供了新的手段.一般来说，采用多媒体技术来组织课堂、提供更有效的教学方式已为教师们所熟知.但多媒体设备除了可以作为教学辅助渠道外，还可以作为物理实验的辅助测量工具和控制工具来使用.例如，声卡实质上是一组工作在音频下的模拟/数字转换和数字信号处理器，可以用声卡的输入接口对低于音频的电压信号进行测量.由于这些接口都已经封装在标准计算机的接口电路中，其增量成本微乎其微，同时计算机强大的数据处理功能大大简化了一些复杂的数据分析.

PC多媒体接口设备改进基础物理实验教学这一基本思想主要包括时间数据测量(采样)、几何测量、数据处理、信号产生等几个部分.下面将简述一些主要的应用创新，讨论其在教学中可能的应用及需要特殊注意之处.

1 多媒体接口测量的主要应用

1.1 声卡接口用于数据读取和时间序列测量

在中学物理实验和大学低年级物理实验设计中，时间测量具有根本的意义.即使在中学阶段，需要跟踪千分之一秒过程的物理问题也相当常见，而实践中执行小于百分之一秒的精确时间测量都很困难.

计算机声卡具有输入和输出接口，其输入接口按照一定的采样率读取电压信号，并转换为数字信号存储起来.标准的声卡具有至少48 kHz的采样率，相当于一个20微秒分辨率的计时器，而且实践中很多声卡具有96 kHz，甚至128 kHz的实际采样率，那么万分之一秒精度的时间测量就变得很容易.

由于空气中声速约为340 m/s,对于一米左右的麦克风距离，两点信号延迟约3 ms，这完全可以从声卡采样中读取出来.实践中，将信号输入声卡的两个输入通道，比对两个通道信号的形状就可以得出延迟时间.即使在最坏(粗糙)的情况下，采样精度导致的误差也不超过5‰.相关的研究表明，即使测量声音在水中的传播，这一方法仍然可以得到相当好的结果[1].

声卡接口的一个典型应用是声速的测量[2].原理图如图1.

根据声卡接口的这一特点，可以对高中《自由落体运动》一课中“用打点计时器研究自由落体运动”这一实验进行改进.将物块开始自由下落和落地两个信号输入声卡的两个输入通道，对比两个信号得到物块下落时间，这样避免了原实验中纸袋与打点计时器间的摩擦对实验带来的误差，可以有效提高结果的精确度.

图1 声速测量实验原理图

声卡记录的信号以wav文件的形式直接存储在磁盘上，这使得对其进行数据处理变得非常容易.一个例子是利用声卡记录的信号实现多普勒效应的定量测量[3,4]：将单频声源固定在运动物体上，记录麦克风接收到的信号，进行傅里叶变换得出运动后的频率.实际的校验测试表明(见图2)，这一方法即使对于1 m/s的运动，仍然能获得精度5%以内的定量结果.

图2 多普勒效应实验设备图

声卡实现多普勒效应这一实验可以使用在高中《多普勒效应》一课中，在原来观察者与队伍相向行走和背离行走的模拟实验的基础上，声卡实现的多普勒效应实验可以使学生更直观地观察到实验现象，通过实验数据的分析也能使学生更容易理解多普勒效应中频率的变化情况.

上述多普勒测量的另外一个例子是根据麦克风记录到的声音频率来分析飞机起飞和落地的速度[5]：由于多普勒效应，飞机起降时的噪音谱会明显增宽，利用增宽随时间的变化可以估计出飞机速度的变化.中学物理教学提倡从生活走向物理、从物理走向社会，学习了使用声卡实现的多普勒效应实验后，若再开展社会实践活动走进社会走进机场，将课堂上的物理知识与生活实际相结合，对学生兴趣和能力的培养都会是有意义的一课.

1.2 用声卡实现光电门功能

时间测量的标准化设备之一是光电门.如前所述，声卡的信号读取能力可以实现非常简单的光电门，只需要附加一个简单的电压分配电路即可[6-8].一个典型的例子参见图3，光信号照射在光电二极管上使二极管导通，电压下降，从而在声卡输入端产生一个电压脉冲，直接观察声卡记录就可以获得数据.

关于光电门还有另外一种应用.声卡的优点在于计时准确，对于秒到毫秒级别的测量能够提供很好的效果.但若需要计时的是分钟级别以上，使用声卡可能产生过大的wav文件，读取不太方便.这时可以采用鼠标输入端口(尽管鼠标器严格说来并不是一种多媒体设备).方法是将鼠标器的按键开关分断并且连接到光电二极管上，这样光电二极管的导通就等效于一次鼠标按键，只要再写一个非常简单的程序就可以捕获鼠标按键并且计时.当然，由于鼠标的延迟时间一般来说在若干毫秒的量级，这一方法的精度不如声卡读取.

图3 简易光电门原理

使用PC多媒体接口声卡或鼠标来实现的光电门可以用于中学气垫导轨测速度实验、测量重力加速度实验、探究碰撞中的不变量实验等，简单的实验装置可以有效简化原实验中固有的实验设备，还可以避免原有实验中摩擦对实验结果带来的影响，能够有效提高实验的效率和精确度.

1.3 将图像设备用于几何测量、帧跟踪等

就物理实验教学而言，图像设备的应用要稍弱于声卡的时间跟踪应用.这主要是因为图像设备基本是一种几何测量工具，但相比于标准的尺度测量，图像设备的几何测量并无精度优势.

图4 在摄像头上拍到的扩散过程和半径估计

尽管如此，仍然能利用计算机的图形能力进行几何测量.传统的照片应用如视差分析[9].在图4的例子中[10]，作者用摄像头拍摄的图片观测墨水在水中的扩散速度，利用计算机的图像处理工具，可以将扩散图形匹配为一个圆，从而找出扩散半径.因为视频设备实现了每秒10 fps以上的图像记录，所以可以容易地作出扩散半径随时间的变化曲线，这是其他方法难以做到的.另一研究中[11]，作者利用图像软件在视频数据的各个帧上跟踪灰度的变化，从而找到影子通过建筑物的速度，进而求得地球的半径.

摄像头的连续拍摄功能也可以很好地应用在中学物理教学中.例如，中学物体匀速直线运动实验、高中的匀变速直线运动实验、平抛运动实验、探究碰撞中的不变量实验、单摆实验等都可利用摄像头的连续拍摄功能，再结合软件对拍摄物体运动的视频进行处理分析进行教学.图5(a)为两球碰撞实验[12,13]，将tracker软件应用于该实验的测量和数据处理.摄像头拍摄两球碰撞的视频，再通过tracker软件建立动态质点模型，追踪研究对象的运动轨迹(见图5(b))，使运动情况更为直观、可视化，使用tracker软件对数据进行处理并分析运动情况，如位移—时间关系、速度—时间关系、加速度—时间关系等，图5(c)为两球碰撞中其中一个球在碰撞前后的位移时间图像，由此可轻松得到碰撞前后该球运动的速度，再结合碰撞物体的质量，即可找到碰撞过程中的不变量，不仅提高了实验的效率，还能达到使学生更容易理解相关理论知识的效果.

当然，使用tracker软件可以实现图4中墨水的扩散情况的半自动化追踪，使用摄像头拍摄视频并结合软件处理可以大大降低理论知识和实验操作的难度，但对物体运动轨迹的追踪也存在一定困难.在一定程度上来讲，视频录制的帧率越高，物体运动记录越准确，能减小轨迹追踪时的误差.轨迹追踪时，tracker软件可以实现半自动化追踪研究对象，但偶尔会出现干扰，进行手动追踪时，由于物体有一定的大小，投影也存在误差，并不能保证每次追踪的是研究对象上的同一位置.当研究物体快速运动时，视频文件存在插值问题，有些帧并不是研究对象实际位置的拍摄而是两个图像叠加而成，所以也将导致追踪的结果存在一定误差.一般的摄像头提供的fps数目偏低，特别是很多中间帧实际是通过插值产生的，因此其精度存在一定的问题.

图5 tracker软件应用于运动学碰撞实验

2 改进中需要注意的问题

本文简述了多媒体接口设备作为测量工具和控制设备(信号发生器)在中学物理实验中的应用.可以看到，依赖多媒体设备的数据读取能力和计算机的数据处理能力，许多测量较为困难和不够直观的中学(甚至大学低年级)物理教学演示实验都可以被重新设计为简单直观且原理清晰的形式，从而达到更好的教学效果，对理论的理解也更为容易.而一些非常陈旧和难以控制的教学实验设备也可以改为更为灵敏和简便的实验形式.在学生掌握了这些接口的特性后，还可以自行设计更有挑战性的实验.

与此同时，这类改造也存在一些问题.首先，多媒体接口的低成本是依赖于计算机的，也就是说首先要实现计算机的普及才能让学生完全自由地设计和完成这类实验.遗憾的是，随着计算机设备的便携化，其外接接口变得越来越简朴，例如，许多笔记本就没有Line-In接口而只有Mic-In接口，从而双通道输入无法实现；大部分平板电脑甚至没有Mic phone输入接口.其次，很多改造在使实验变得简单的同时，都要涉及数据处理和滤波等问题.例如，视频数据的中间帧可能是软件插值得来，并非实际拍摄；麦克风录音很多时候也存在中间放大和滤波导致的信号变形.当然在本质上这是现代科学实验的特性：一切测量都是设备采样滤波的过程，但给中学生乃至大学新生解释这些问题绝非易事，甚至需要教师对测量理论有很好的理解.最后，可以预期，上述改造要求物理教师具有一定电子技术方面的基础知识作为支撑.