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【摘要】隨著計算機(jī)技術(shù)和人工智能的快速發(fā)展，數(shù)碼攝像技術(shù)在物理實驗中發(fā)揮著越來越重要的作用。在分析數(shù)碼攝像技術(shù)特點的基礎(chǔ)上，從初中物理實驗、高中物理實驗和大學(xué)物理實驗三個角度出發(fā)，對數(shù)碼攝像技術(shù)在物理實驗中的應(yīng)用進(jìn)行了綜述歸納，并對數(shù)碼攝像技術(shù)的未來發(fā)展趨勢進(jìn)行了展望。

【關(guān)鍵詞】數(shù)碼攝像；物理實驗；數(shù)字圖像處理

0引言

物理實驗在不同階段的教學(xué)教育中都扮演著重要的角色，是學(xué)生在不同的求學(xué)階段中開啟思維、接觸自然、實踐創(chuàng)新的基本手段和關(guān)鍵途徑。通過物理實驗，可以提高學(xué)生對理論知識的理解程度，增加學(xué)生對實際應(yīng)用的創(chuàng)新能力，因此，熟練領(lǐng)會物理實驗的內(nèi)涵，深刻掌握物理實驗的技巧，是每一名高素質(zhì)學(xué)生的必備技能。隨著現(xiàn)代信息技術(shù)和人工智能技術(shù)的快速發(fā)展，物理實驗也體現(xiàn)出現(xiàn)代化、智能化的發(fā)展趨勢，以各類數(shù)碼設(shè)備為載體、以數(shù)字圖像處理為代表的人工智能技術(shù)已深入各類物理實驗中[1-6]。當(dāng)前，數(shù)碼相機(jī)、智能手機(jī)等數(shù)碼設(shè)備已經(jīng)高度普及，采用這類設(shè)備進(jìn)行攝像和拍照也已成為日常生活的一部分，為物理實驗中采用數(shù)碼設(shè)備提供了基礎(chǔ)。同時，數(shù)字圖像具有分辨率高、可后期處理、無損存儲、可連續(xù)拍攝等優(yōu)點，適合應(yīng)用于物理實驗中的精密讀數(shù)、數(shù)據(jù)記錄、非接觸性測量以及連續(xù)對比觀測等實驗場景中。本文對數(shù)碼攝像技術(shù)在物理實驗中的應(yīng)用進(jìn)行詳細(xì)綜述，給出各類實驗使用數(shù)碼攝像技術(shù)的原理和方法，并對未來的發(fā)展趨勢進(jìn)行展望。

1數(shù)碼攝像技術(shù)在物理實驗中的應(yīng)用概括

在我國的教育體系中，物理實驗貫穿初中、高中和大學(xué)三個連續(xù)的教育階段，是培養(yǎng)學(xué)生動手實踐能力的主要手段之一?？v觀這個三個階段的物理實驗，數(shù)碼攝像技術(shù)都起到了改造傳統(tǒng)實驗手段，提高實驗的可視化水平，改善實驗的可操作性的作用，表1中列出了近年相關(guān)文獻(xiàn)中采用數(shù)碼攝像技術(shù)來進(jìn)行改良的物理實驗名稱。在該表中，我們按照教育階段對相關(guān)物理實驗進(jìn)行歸納匯總，從表中可以看出，不管在初中、高中階段，還是大學(xué)階段，數(shù)碼攝像技術(shù)都已經(jīng)被廣泛應(yīng)用在物理實驗中。

2數(shù)碼攝像技術(shù)在初中物理實驗中的應(yīng)用

初中階段是物理學(xué)習(xí)的起始階段，需要在該階段著重培養(yǎng)學(xué)生的物理思想和物理興趣，由于物理在學(xué)習(xí)過程的理論性較強(qiáng)，因此，以實驗為主要手段對物理學(xué)科進(jìn)行可視化的教學(xué)是提高學(xué)生思維能力和觀察能力的必由之路。在該階段的物理實驗中，數(shù)碼攝像技術(shù)主要被應(yīng)在以下的三個實驗?zāi)K。

2.1平拋運動

該實驗?zāi)K主要基于數(shù)碼相機(jī)的高速連拍功能[7]，通過該功能記錄不同時刻運動目標(biāo)的運動軌跡，從而進(jìn)行對比分析得出實驗結(jié)論。在平拋運動實驗中，需要分別對運動物體的水平運動和垂直運動進(jìn)行連續(xù)分析，在此基礎(chǔ)上綜合考慮水平和垂直兩個方向上的運動情況得出平拋運動的運動規(guī)律。此時可以利用同時啟動的運動開關(guān)分別對兩個小球做自由落體和平拋運動，然后在運動開啟的同一時刻利用數(shù)碼相機(jī)的連拍功能記錄兩個小球的運動情況。記錄結(jié)束后，利用圖像處理軟件將小球的運動軌跡集成在一起，通過數(shù)據(jù)分析完成該實驗的分析和結(jié)論總結(jié)。

2.2螺旋測微器

與上一實驗?zāi)K不同，該模塊對數(shù)碼相機(jī)的使用主要依賴于數(shù)碼相機(jī)的微距功能[7]。在該模式下，數(shù)碼相機(jī)可以起到放大鏡的作用，能夠近距離地對觀察對象進(jìn)行高清成像，從而更加高效地體現(xiàn)觀察對象的細(xì)節(jié)變化。螺旋測微器是進(jìn)行高精度測量的一種重要器具，然而對該部分內(nèi)容進(jìn)行實驗教學(xué)時，由于螺旋測微器屬于精密儀器，刻度數(shù)字較為微小，因此，傳統(tǒng)的課件方式可視化效果不好，難以取得理想的效果。將數(shù)碼相機(jī)的微距功能引入螺旋測微器實驗教學(xué)中，通過對局部細(xì)微區(qū)域進(jìn)行高清成像，可以使學(xué)生對螺旋測微器的工作細(xì)節(jié)進(jìn)行清晰的可視化觀察，從而加深學(xué)生對實驗的理解，同時也提高了實驗教學(xué)的效果。

2.3瞬時速度和加速度

瞬時速度和加速度是初中物理中的兩個重要概念。文獻(xiàn)[7]中利用數(shù)碼相機(jī)的攝像功能對這兩個概念進(jìn)行直觀易懂的展示。首先構(gòu)建一傾斜的木板，并調(diào)整木板的方向令小球可以從木板較高的一端做直線下滑運動。接下來，在木板上標(biāo)出刻度，并用數(shù)碼相機(jī)對準(zhǔn)傾斜的木板，且保證木板被完全包含在數(shù)碼相機(jī)的視野內(nèi)。打開數(shù)碼相機(jī)的攝像功能，將小球釋放進(jìn)行圖像抓拍。抓拍結(jié)束后，通過連續(xù)時刻的視頻幀獲取小球的位置，由于此時的時間值亦為已知，因此可以求得此時刻的瞬時速度，同理可以進(jìn)一步求得小球的加速度。該實驗不但可以提高學(xué)生的動手能力，而且也有助于學(xué)生對實驗中所涉及物理公式的消化和理解。

3數(shù)碼攝像技術(shù)在高中物理實驗中的應(yīng)用

在高中階段的物理實驗中應(yīng)用數(shù)碼攝像技術(shù)時，主要借助于數(shù)碼相機(jī)可快速拍攝、可視化效果好等優(yōu)點，使學(xué)生可以更加直觀地對實驗現(xiàn)象和實驗過程進(jìn)行理解，有助于實驗教學(xué)效果的提高。

3.1打點器測速度

用打點計時器測速度實驗出自人教版高中物理必修一，該實驗通過打點計時器來記錄實驗過程，在實驗操作過程中存在著直觀性不強(qiáng)、學(xué)生對實驗的感性認(rèn)識不足等問題。鑒于此，文獻(xiàn)[8]將數(shù)碼相機(jī)引入實驗中，通過數(shù)碼相機(jī)的快速連拍和攝像功能對物體運動軌跡進(jìn)行實時跟蹤錄制。由于數(shù)碼相機(jī)在連拍或者錄像模式下相鄰兩幅圖像的間隔時間已知，因此可以替代傳統(tǒng)的打點計時器，而且采用數(shù)碼相機(jī)可以任意次數(shù)地還原實驗動態(tài)過程，可以讓學(xué)生更加直觀、貼近地觀察實驗物體的動態(tài)變化，從而加深對實驗的掌握和理解。

3.2單擺運動

單擺運動同樣是高中物理中基礎(chǔ)性的實驗之一。在使用數(shù)碼相機(jī)記錄單擺實驗時，首先將數(shù)碼相機(jī)固定在三腳架上，并將鏡頭與單擺的運動平面垂直[9]，然后開啟數(shù)碼相機(jī)的連拍模式，同時啟動小球的單擺運動。在圖像采集結(jié)束后，通過圖像處理軟件，將小球圖像集成在一幅圖像中。此時可以觀察到小球在擺動周期內(nèi)的運動情況，而且小球在平衡位置較為稀疏，而在兩端位置則較為密集，由于相機(jī)連拍的時間間隔是相同的，因此可以得出小球在兩端運動速度較慢，而在平衡位置運動速度較快的結(jié)論。

3.3布朗運動

相對上述實驗，布朗運動難度較大，且實驗條件要求嚴(yán)格，部分老師僅僅進(jìn)行理論上的講授和展示，從而導(dǎo)致實驗的開課率不高。為了讓學(xué)生可以真正地接觸實驗過程，將數(shù)碼相機(jī)和高倍顯微鏡相結(jié)合[9]，先將高倍顯微鏡調(diào)整到穩(wěn)定狀態(tài)，然后再用數(shù)碼相機(jī)記錄顯微鏡的觀察情況。觀察完畢后，將拍攝結(jié)果進(jìn)行全班展示，并開展實驗討論，加深同學(xué)們對布朗運動的認(rèn)識和理解。

4數(shù)碼攝像技術(shù)在大學(xué)物理實驗中的應(yīng)用

大學(xué)物理實驗在中學(xué)物理實驗的基礎(chǔ)上進(jìn)行了進(jìn)一步的拓展和深入，數(shù)碼攝像技術(shù)依然發(fā)揮其可快速拍攝、高分辨率等優(yōu)點，對提高大學(xué)物理實驗的教學(xué)效果起到了一定的促進(jìn)作用。

4.1彈簧振子實驗

簡諧振動是大學(xué)物理的一個重要內(nèi)容。為了更加直觀、可視化地對振動進(jìn)行理解，常常采用彈簧振子實驗來進(jìn)行實踐教學(xué)。傳統(tǒng)的彈簧振子實驗存在可視化程度不高、理論空想嚴(yán)重等缺點。文獻(xiàn)[10]采用高速相機(jī)來觀察震動中的彈簧振子。通過高速相機(jī)記錄彈簧振子在每一時刻的外觀參數(shù)，可以讓學(xué)生直觀、清晰地觀察到彈簧振子發(fā)生振動的整個運動過程，對振動周期、能量轉(zhuǎn)化、空氣阻尼對振子的影響等實驗內(nèi)容進(jìn)行貼近地分析和討論，加深學(xué)生對簡諧運動的理解。

4.2牛頓環(huán)實驗

牛頓環(huán)是空氣薄膜經(jīng)光束照射后，發(fā)射光束產(chǎn)生干涉而出現(xiàn)的圓環(huán)狀干涉條紋。該實驗在物理實驗中有著重要的地位。傳統(tǒng)的牛頓環(huán)實驗采用顯微鏡來觀察干涉條紋，并記錄干涉圓環(huán)的位置和直徑。傳統(tǒng)實驗方法存在實驗復(fù)雜、測量手段不直觀且易產(chǎn)生誤差等問題。針對該問題，數(shù)碼相機(jī)和智能手機(jī)[11-14]先后被應(yīng)用到實驗操作中。文獻(xiàn)[15]在總結(jié)采用數(shù)碼攝像手段進(jìn)行牛頓環(huán)實驗的基礎(chǔ)上，設(shè)計了一種基于無鏡頭數(shù)碼相機(jī)的牛頓環(huán)實驗方法，利用實驗中的透鏡直接在無鏡頭數(shù)碼相機(jī)感光芯片上進(jìn)行投影得到干涉條紋的圖像，通過數(shù)碼相機(jī)感光芯片參數(shù)進(jìn)一步計算出牛頓環(huán)干涉條紋的直徑。該方法不但操作簡單易于實現(xiàn)，而且也提高了干涉條紋直徑的測量精度。

4.3密里根油滴實驗

19世紀(jì)初，美國物理學(xué)家密立根發(fā)現(xiàn)帶電油滴所帶電量為電子電荷的整數(shù)倍。大學(xué)物理實驗中的密立根油滴實驗就是基于上述發(fā)現(xiàn)，通過觀測電場中帶電油滴的下落運動來測定電子的電量。傳統(tǒng)的密里根油滴實驗使用秒表對油滴運動速度進(jìn)行手動測量，從而測量精度取決于人體的反應(yīng)速度和靈敏性，因此，往往會存在較大的誤差。文獻(xiàn)[16]將數(shù)碼相機(jī)的高速連拍功能引入該實驗中，通過固定的時間間隔對油滴進(jìn)行高精度的抓拍，從而準(zhǔn)確捕捉到油滴的瞬時狀態(tài)。采用數(shù)碼相機(jī)不但可以快速、多次地進(jìn)行重復(fù)測量，而且可以對相機(jī)視野內(nèi)的多顆油滴進(jìn)行同時測量，從而在保證實驗精度的基礎(chǔ)上，大大提高實驗效率。

5結(jié)語

隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展，以數(shù)碼攝像、圖像處理為代表的人工智能技術(shù)也不斷地深入物理實驗中。從上述分析可以看出，不管是中學(xué)階段還是大學(xué)階段，采用數(shù)碼攝像技術(shù)都可以為傳統(tǒng)的物理實驗手段提供更加便捷、更加精準(zhǔn)的實驗方法。在未來的物理實驗中，數(shù)碼相機(jī)作為一種高分辨率、快速性的記錄裝置，會深入更多的物理實驗中，而且對抓拍到的圖片進(jìn)行自動化、智能化的處理也會成為提高物理實驗水平的一個重要支撐。

作者:張京愛 李素文 單位:淮北師范大學(xué)物理與電子信息學(xué)院