高速攝影與物理教學(xué)

周文超

摘 要：在中學(xué)物理教學(xué)中引入高速攝影技術(shù)，可以激發(fā)學(xué)生興趣，培養(yǎng)學(xué)生觀察思考能力和提問能力，輔助理解部分概念和規(guī)律，使中學(xué)物理更加生動、有趣。

關(guān)鍵詞：高速攝影；物理教學(xué)

中圖分類號：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-6148（2014）9（S）-0057-2

1 高速攝影簡介

眾所周知，人的眼睛的反應(yīng)速度大約為0.1秒，眨一次眼時間大約為0.2秒，因此，很多變化較快的現(xiàn)象因無法看清而被大腦忽略。每秒24幀的圖片播放會被人腦誤以為是連續(xù)的畫面也正緣于此。而每秒24幀的普通攝影也不足以呈現(xiàn)出物體作高速運(yùn)動時足夠的細(xì)節(jié)，電視轉(zhuǎn)播體育賽事時，普通慢鏡回放也經(jīng)常無法看清球的落點(diǎn)或運(yùn)動員的動作。自從高速攝影概念在2004年美國“國際高速攝影和光子學(xué)會議”上定義為：速度大于128幅/s，可連續(xù)獲得3幅以上的攝影后，這一新興技術(shù)得到快速迅猛的發(fā)展。

在高速攝影中，一幀的曝光時間被縮短至數(shù)千分之一秒，每秒可拍攝1000幀甚至更多。在這樣的速度下，許多生活中常見的高速運(yùn)動似乎靜止了下來，給人們研究其中的細(xì)節(jié)和規(guī)律提供了極大的便利。同時，也為傳統(tǒng)物理教學(xué)手段無法呈現(xiàn)的有價值的物理現(xiàn)象提供了新的研究途徑。

高速攝影在表現(xiàn)形式上具有新穎性、藝術(shù)性、趣味性等特征，并能以一種全新的形式予以再現(xiàn)，部分取代了人為制作的模擬圖像，為學(xué)生的學(xué)習(xí)和發(fā)展提供豐富多彩的教育環(huán)境和有力的學(xué)習(xí)工具，能有利于開闊學(xué)生的知識視野，啟迪學(xué)生的形象思維，增強(qiáng)學(xué)生的理解記憶，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，改善學(xué)生的認(rèn)知方法，從而大大提高學(xué)習(xí)的效率和效益。尤其對于高中物理學(xué)科而言，一些概念比較抽象難懂而又難以化抽象為形象；恰當(dāng)?shù)剡\(yùn)用高速影像技術(shù)不但能化抽象為形象，利于學(xué)生對知識難點(diǎn)的理解，而且使教學(xué)生動有趣，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)熱情。

另外，高速攝影聲形并茂、形象生動、真實(shí)的表達(dá)效果，為物理的學(xué)習(xí)創(chuàng)設(shè)有助于學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、提出問題的良好學(xué)習(xí)情境。

方便的編輯方式，將難以捕捉的瞬變過程轉(zhuǎn)化為定格分析，進(jìn)而可以變抽象為形象、變動態(tài)為靜態(tài)、化大為小、化小為大、化枯燥為生動，有助于激發(fā)學(xué)生研究物理現(xiàn)象的興趣和熱情，也為物理老師開展研究性教學(xué)提供了便利。豐富的網(wǎng)絡(luò)視頻資源可以實(shí)現(xiàn)方便的信息資源共享，豐富教學(xué)資源，使高中物理課程從封閉走向開放。

2 高速攝影在物理教學(xué)中的應(yīng)用

2.1 引導(dǎo)學(xué)生重新認(rèn)識身邊的現(xiàn)象，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣

高速攝影能夠?qū)幼鞣怕?0倍甚至更多，這使得觀察高速世界的現(xiàn)象成為可能。高速世界在很長時間內(nèi)一直是個看不見的世界，在高速攝影的幫助下，一些新的現(xiàn)象會引起學(xué)生極大的興趣。

使用打火機(jī)是司空見慣的事，靠擦出的火花引燃噴出的丁烷氣體的原理也很簡單。但整個過程是在一瞬間完成的，使用高速攝影回放整個過程，呈現(xiàn)出火星引燃丁烷氣流的精細(xì)過程。

2.2 向?qū)W生呈現(xiàn)精彩的物理現(xiàn)象，滲透美學(xué)教育

生活中人們身邊的物理現(xiàn)象通常是平淡無奇的，課程中的許多物理現(xiàn)象也多少顯得有些枯燥，知識性強(qiáng)但缺乏美感。然而，無論是自然界客觀的事物，還是作為人類創(chuàng)造物的物理理論，都具有美的屬性。如今，美育已被正式列入教育方針，這就要求我們在教學(xué)中，融入物理的美學(xué)因素。在高速攝影技術(shù)的幫助下，放慢10-100倍的世界顯得美不勝收。一滴牛奶滴入一碗奶中，濺起類似皇冠的水花；肥皂泡被手指戳破的一瞬間，半個肥皂泡上還倒印著附近的景色，并呈現(xiàn)出五彩斑斕的干涉條紋。

2.3 創(chuàng)設(shè)有助于學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、提出問題的良好學(xué)習(xí)情境

從客觀上說，人們往往對身邊經(jīng)常發(fā)生的事情習(xí)以為常，視而不見，一定程度上束縛了學(xué)生的想象力。如何鼓勵學(xué)生對身旁的現(xiàn)象進(jìn)行細(xì)致觀察并進(jìn)一步地思考一直是一個難題。使用高速攝影技術(shù)向?qū)W生呈現(xiàn)被忽略的生活現(xiàn)象中不為人知而又豐富多彩的細(xì)節(jié)，有助于提高學(xué)生的觀察思考能力和提出問題的能力。

一次閃電的整個過程不超過0.5秒，肉眼只能看見一道明亮的閃光；而在高速攝影機(jī)拍攝的畫面中，被電離而發(fā)光的空氣指示著閃電尋找路徑的過程，在與地面接通之后，放電也不是一次就完成的，而是在地面和云層之間來回數(shù)次。

2.4 呈現(xiàn)新的有力證據(jù)，使抽象概念和規(guī)律形象化

慣性是一個非常抽象的概念，“任何物體都具有慣性”對教師來說是一條簡單常識，然而剛接觸“慣性”的學(xué)生卻往往難以很快接受：運(yùn)動的物體具有慣性相對容易理解，但是靜止的物體具有慣性卻是理解上的難點(diǎn)——靜止的物體在重力作用下常常很容易就運(yùn)動起來了，似乎并沒有慣性。刺破水氣球的高速攝影便是提供了一個生動形象的例子：靜止的物體在失去支持力的短時間內(nèi)仍然保持原來的形狀，證明了靜止的物體同樣具有慣性。

2.5 設(shè)計研究新的實(shí)驗(yàn)

在過去，重力作用下的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象往往一閃而過；在高速攝影條件下，以往由于太快看不清而無法完成的實(shí)驗(yàn)已經(jīng)可以做到了。

一個很有彈性的圓環(huán)下墜一重物，圓環(huán)明顯變形；松手后，圓環(huán)迅速被“壓扁”而重物仍保持靜止；在整個過程中，圓環(huán)反復(fù)拉伸、壓縮，重物的下落也忽快忽慢。

3 未來展望

盡管高速攝影技術(shù)在近幾年來才開始為人們所重視并應(yīng)用到科學(xué)研究、體育競技、軍事、藝術(shù)等諸多領(lǐng)域，但其發(fā)展速度之迅猛令人始料不及：商業(yè)化高速攝像機(jī)已經(jīng)能拍攝每秒100萬幀的視頻；2011年12月麻省理工學(xué)院Andreas Velten等人甚至已經(jīng)獲得幀率等效于每秒5000億幀的影片，如此高的幀率使直接研究光子的運(yùn)動細(xì)節(jié)成為可能。這也從側(cè)面證明了這項技術(shù)的廣闊應(yīng)用前景。

在現(xiàn)今市場上，普通卡片機(jī)開始具備一定的高速連拍和高速攝影功能。以Casio FH100為例，能以640×480的像素分辨率實(shí)現(xiàn)120幀/秒的高速攝影。按照這個分辨率和幀頻，定性地研究現(xiàn)象較明顯的高速過程基本可以勝任。按照網(wǎng)絡(luò)上基于高速攝影技術(shù)拍攝的視頻資源快速增長，給我們獲取相應(yīng)的教學(xué)素材提供了便利。

相信在不遠(yuǎn)的將來，高速攝影會成為大眾消費(fèi)品走進(jìn)我們的生活。中學(xué)物理課程可以將這一技術(shù)融入進(jìn)來，不僅可以改進(jìn)一些現(xiàn)象因過快而不明顯的實(shí)驗(yàn)，而且可以據(jù)此設(shè)計一些新的實(shí)驗(yàn)，擴(kuò)充物理課程資源庫，使物理課更加生動、有趣。

參考文獻(xiàn)：

[1]黃樹清.計算機(jī)與數(shù)碼相機(jī)在高速頻閃攝影中的應(yīng)用[J].福建師范大學(xué)學(xué)報，2001，（3）：37.

[2]André Heck.In a hurry to work with high-speed video at school[J].The Physics Teacher，2010，（48）：176.

（欄目編輯 王柏廬）