利用手机连拍设计物理实验的几点思考

张 黎

(中山市华侨中学 广东 中山 528400)

1 问题的提出

在高中物理实验中，利用频闪照相研究物体的运动是一种常见的方法.相较于打点计时器，频闪照相避免了纸带的摩擦，大大提高了精度.但用频闪照相技术做相关实验对拍摄环境和设备的要求比较高，日常教学中很少直接用到.随着智能手机的普及，很多人想到用手机相机的连拍功能代替频闪照相做相关实验.在命题中，也出现了很多基于手机连拍功能研究运动实验题.该操作有哪些问题值得思考？我们以一道常见的实验题为例展开.

【例题】某同学新买了一台手机，发现有连拍、全景摄影功能.他想知道相机1 s内能连拍多少张(即连拍频率)相片，为此设计了一个实验：一个同学将小球从与课桌表面等高处的O点静止释放，另一个同学将手机固定在合适位置并开启连拍功能，之后在电脑上将照片合成处理成一张照片，如图1所示.

图1 照片合成后的示意图

(1)现有相同大小的塑料球和钢球两个，实验时应选用______做实验.

(2)关于按快门和释放小球的先后顺序，正确的做法是______.

(3)用刻度尺测得小球在初始位置1与9间的距离h=35.00 cm，若当地的重力加速度为9.80 m/s2，则相机连拍频率为______Hz.

参考答案：(1)钢球；(2)先按快门再释放小球；(3)30.

命题的意图是用自由落体运动来探究相机连拍频率，所以操作时先按快门再释放小球，这样拍摄小球的初速度为零.设相机的拍摄周期为T，利用

得

T=0.033 4 s

故连拍频率

2 思考一小球下落的时间是否为连拍周期的整数倍？

由于先开始拍摄，再自由释放小球，所以第一张照片小球速度一定是零，但是第一张与第二张照片的时间间隔是T吗？我们作一个时间轴如图2所示.

图2 时间轴

相机拍照的时刻是0，T，2T，3T等时刻，但小球开始下落的时刻不一定是这些时刻.假设小球释放的时刻处于T～2T之间，2T时刻小球已经在运动，故2T时刻照片定为运动的第二张照片，反推T时刻的照片定为释放小球的初始照片，这样处理的结果是照片1，2之间的时间间隔一定小于T.虽然释放小球的时刻也有可能恰好对应拍照的0，T，2T等时刻，但这种概率是很低的.

理论上分析，按照题设的条件小球运动时间为nT,但实际运动时间是(n-1)T～nT之间的某个值，故T测

nT测=(n-1)T真

最大相对误差

图3 自由落体的频闪照片

这张照片的拍摄可以用以下两种方法避免系统误差：

(2)通过改进实验装置，同时控制快门和小球，使得拍摄第一张照片时小球同时下落，但是这样的设计可能会有些复杂.

3 思考二手机的连拍功能是否可以替代频闪照相？

笔者查阅市面上普遍使用的智能手机官方介绍，没有一家手机厂商给出连拍的准确速度(连拍频率).笔者用最简单的方法分别测试华为P40，华为Mate 40，iPhone 6S，iPhone 12 proMax和VIVO IQOO5等5款手机的连拍速度，基本涵盖了常见的高端、中高端和中端手机.在相同的光照条件下，启动毫秒计时器，用手机直接对准计时器连拍.实验中使用毫秒级电脑计时器软件界面如图4所示.

图4 毫秒级电脑计时器

从连拍照片中记录每一张照片上显示的时刻，相邻两张照片记录的时刻差值即为连拍时间间隔.记录数据如表1所示.

表1 5款手机连拍周期数据

对5款手机连拍周期的数据分析如表2所示.

表2 5款手机连拍周期分析

由表1和表2数据可见，测试的5款手机拍摄周期都在各自的平均值上下波动，但都不稳定，平均相对偏差最小的为8.93%，最大达37.54%.作为参照，我们查阅一款LED自携式频闪仪，其标称10 Hz，25 Hz的频闪光源测得的精确频率分别为10.04 Hz，25.12 Hz，偏差均小于 0.5%[2]，其周期稳定性远超手机.

频闪照相是相机快门一直打开，利用频闪仪电子闪光灯的周期性闪光，在一张底片上连续记录物体的运动，闪光频率稳定；而手机的连拍则涉及电子快门、存储快慢等等诸多因素，原理与频闪照相有很大的不同.我们无法穷尽所有手机的连拍数据，但从已有的结果来看，用手机连拍替代频闪照相缺乏科学依据，毕竟设计手机连拍的目的不是为了实验.因此，在目前的物理实验中，用手机连拍研究物体的运动不合时宜，基于手机连拍功能而设计的诸多相关实验题同样缺乏现实基础.

4 结束语

实验是物理学的基础，在培养学生科学探究、科学证据意识方面有着不可替代的地位.但当前有些实验问题设计未能跳出传统习题训练的范围，过于关注技能知识的简单考査，真正“做实验”寥寥无几[3].实验题的设计应立足现实的问题情境，通过真实情境实现对学生实践意识与实验能力的考查，践行核心素养的培养.