利用手机拍照探究自由落体运动规律的实验设计

李伟

摘   要：本实验设计旨在利用我们生活中的常用物体设计实验探究自由落体运动的规律，激发学生的物理学习热情，培养学生的物理学科素养。实验设计利用智能手机并结合一些巧妙的照相技术拍摄出自由落体运动物体的落点照片，再借鉴处理纸带问题的办法探究自由落体运动的规律，并测出重力加速度。

关键词：手机;照相;自由落体;重力加速度;实验设计

中图分类号：G633.7 文献标识码：A    文章编号：1003-6148（2020）2-0046-3

1    实验设计的目的

物体下落的运动是司空见惯的，结合实验和生活中的经验认识并研究其中最具代表性的自由落体运动是教材中的精彩内容。本实验设计在教材中对自由落体运动规律研究的几种方法的基础上进行改进创新，旨在利用实验设计探究自由落体运动的规律，提高中学生的物理学科素养。希望通过实验设计能够帮助中学生建立较好的物质观、时空观、运动观和能量观等物理观念，培养中学生的科学思维和实验探究能力，建立正确的科学态度与责任意识。

2    实验设计改进要点

人教版普通高中物理必修1中自由落体运动规律的研究，是通过分析打点计时器在重物下落过程中拖着的纸带上打出的相邻相同时间间隔的点迹来进行的。另外，教材的课后练习中也介绍了利用频闪相机拍照获得物体下落点迹的方法来研究自由落体运动的规律，一些资料也提到可以通过一般相机连拍多张照片再PS合成到一张上的方法进行研究。本实验设计对以上三个实验方法取长补短，让它既可以像打点计时器一样直接、有效、一次性地记录下相邻相同时间间隔的点迹，同时也像相机一样可以直观地拍下每个点迹上物体的图像，让它可以直接看到球在相同时间间隔下的落点图像，清楚地看到自由落体运动的规律，并且只需要利用我们手里的手机照相机就可以实现。

3    实验设计的理论基础

1.我们知道在相机的曝光时间内，相机会将镜头在这段时间内捕捉到的图像都记录在照片上。那么，我们就可以通过调长相机的曝光时间，让曝光时间内下落钢球的所有图像记录在一张照片上面，就像纸带打出的点迹打在同一条纸带上面一样。但是，如果没有稳定转动的遮光转盘（图1），下落的钢球图像会连成一条线。

2.遮光转盘就像打点计时器的顶针，而马达就像打点计时器的交流电源。当马达带动遮光转盘后，遮光时间部分相机无法捕捉到图样，每个见光的一瞬间记录一个图样。这样，稳定转动的遮光转盘就像打点计时器在相邻相同时间间隔内打一点一样，让相机在曝光时间内能捕捉到相邻相同时间间隔内见光时的多个图样。

3.我们常用的智能手机拍照功能很强大，再利用軟件camera FV-5进行辅助即可实现对曝光时间的调控和照片的简单处理。实验时将手机镜头放在遮光转盘前，在按下相机快门之后，立即由静止释放钢球，在曝光时间内相机就会将转盘见光部分相邻相同时间间隔内的多个钢球图样显示在同一张照片上面。

4.最后筛选出一张较好的照片，再利用照片上的图像数据进行处理，就可以实现对自由落体运动规律的研究，并可以求出重力加速度。

4    实验的实施条件

1.本实验设计的参考教材是人民教育出版社出版的高中物理必修1。

2.实验所需的器材有：普通智能手机（已经下载软件camera FV-5），银色钢球，9 V小型电动机，自制遮光转盘，学生电源，自制米尺，黑色背景板，沙盘（用来防止小球触地弹起影响实验效果），光电计时器及光电门，电磁铁，开关及导线若干等。

5    实验的操作步骤

1.安装实验器材，如图2所示。

2.将智能手机固定在支架上，打开软件camera FV-5，将曝光时间调成1 s。再把带有遮光转盘的马达用支架固定在相机镜头前面，而带有刻度尺的黑色背景则放在镜头前适当位置处;

3.闭合电磁铁开关，让电磁铁吸住钢球，静止在距离地面1.5 m处，此高度位置刻度尺刻度为零;

4.打开电动机让遮光转盘转动起来达到稳定状态;

5.打开光电计时器，功能调到s1档开始计时;

6.请2号同学将手机镜头放置在遮光转盘前，按下相机快门之后，1号同学马上断开电磁铁开关释放钢球;

7.停止光电计时器计时功能，记录遮光时间;

8.多次重复实验步骤2-7，在手机照片中挑选出一张优质照片。

6    本实验设计减小误差的建议

1.遮光转盘黑色为佳，见光部分要尽量小，并且不能忽略见光部分时间，相邻相同时间间隔计算需要按遮光时间与见光时间的比例换算出总的时间周期;

2.遮光转盘转速要稳定，转速的快慢、手机像素以及对焦等会影响照片效果;

3.计算每个落点位置坐标时要由钢球的球心来确定，减小实验误差;

4.背景板最好为黑色，钢球最好为银白色，并且放置在手机刚好可以把整个米尺拍下来的位置，这样拍出的照片清晰度高，并且数据也全;

5.遮光转盘稳定转动后先按快门，再迅速释放钢球，这个和打点计时器的处理方法比较像;

6.实验过程中照片效果与光照条件以及拍摄技巧也有一定的关系。

7   实验设计的实践研究

2017年9月本实验设计在云南省玉溪第一中学物理实验室开展了实践研究。实验拍出的照片如图3所示，利用图像法数据处理的结果如图4所示，实验数据记录及列表法处理的结果如表1所示。

8    实验效果评价

本实验最终的实验效果比预期的要好，图片清晰、震撼，列表法算出的重力加速度误差小，v-t图像是过原点的线性图样，证明了自由落体运动是匀变速直线运动。

但还有一些遗憾：

首先，用手机拍出的照片清晰度还是不如专业相机;

其次，小球初速度不一定为零，因为第一个见光瞬间不一定恰好是释放的瞬间，所以图线并不是完全过原点。

不过只要是仪器足够稳定，笔者相信本实验具有和打点计时器一样的适用性，而且比打点计时器打出的纸带更加直接，更加震撼，更加贴近生活，更加具有科技创新感，有助于培养中学生的物理学科核心素养。

参考文献：

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[2]魏学静，刘万强. 探究“自由落体运动的规律”的四个实验[J]. 实验教学与仪器，2009，26（3）：29-30.

[2]周正森.用手机拍照片的10项注意[N].中国摄影报，2019-02-22（007）.

[3]周正森.手机拍照如何实现精准曝光[N]. 中国摄影报，2019-05-10（007）.

[4]郑宇晴，马文婧，张轶炳.基于现代信息技术的中学物理实验改进——以“探究自由落体运动规律”为例[J].物理教师，2018，39（7）：66-70.

[5]林宇萍.改进自由落体运动规律的实验装置[J].物理教学，2010，32（1）：35-36.

[6]魏学静，刘万强.探究“自由落体运动的规律”的四个实验[J].实验教学与仪器，2009，26（3）：29-30.

[7]邵泽义，秦晓文.研究自由落体的运动规律[J].教学仪器与实验，2002（1）：8-10.

（栏目编辑    王柏庐）