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    利用数码摄像机获得平抛运动轨迹
    安徽省阜阳市三中　张兴武
    摘要：利用多媒体技术可以使普通数码摄像机实现频闪仪的拍摄效果，通过用数码摄像机拍摄得到的视频文件，然后借助于视频播放软件超级解霸、文字处理软件Word2003进行截图、叠加处理，得到类似于频闪照片的图像。本文以探究平抛运动规律实验为例，介绍使用家用数码摄像机模拟频闪照相仪的方法和获得平抛运动轨迹的方法，可供课堂教学或开展学生研究性学习时选用。
    关键词：数码摄像机　图片处理　平抛运动轨迹
    平抛运动是中学物理中的一种常见运动形式，高中教材介绍可用频闪照相技术得到平抛运动物体运动的频闪照片，从而对平抛规律进行研究。由于频闪照相仪价格昂贵，中学的实验室中往往没有配备这种仪器，因此我们在教学中常常拿一些现成的频闪照片进行研究。为了让学生能够亲自得到平抛运动的照片，体验实验的乐趣，我们进行了使用家用数码摄像机结合国产视频播放软件超级解霸、文字处理软件Word22003模拟频闪照相仪的方法并获得平抛运动轨迹的研究，介绍如下。
    Ⅰ 实验装置
    　家用数码摄像机（带摄像功能，这里选用松下FZ-18）及支架、平抛运动实验器（如图1）（包括小钢球、铅垂线）、计算机（用于数据处理，装有超级解霸、office2003等常用软件）、相机数据线或读卡器。

    图1
    1.松下FZ-18相机主要功能介绍：
    a)本文主要用到图像模式中的30fpsVGA选项进行录像，fps为“帧每秒”，30fps即可以在1秒钟内拍下30张图面。
    b)利用“从动态影像中创建静态影像”功能可以从所录制的动态影像中创建静态影像，时间间隔可选为间隔可选为1/30秒、1/15秒、1/10秒、1/5秒。（1/30秒即为按帧查看，1/15秒为跳过一帧查看），使用此功能可以仔细看清楚运动物体的图像，在实验后查看所录影像是否合格、是否需要重新进行实验。使用此功能每次也可在相机内创建静态影像，但是大多数相机不具备此功能，故在此不再叙述。
    2.超级解霸介绍：版本3500．2．1
    经典菜单（图2）

    图2
    a)单帧播放按钮：每按一次，影片向前播放一帧。连续按下便可进行“慢镜头”播放.
    b)单张截图按钮：按下便可得到一张静态图片，实现将动态影片转换为静态图片。
    3.相机数据线或读卡器：将影片从数码摄像机转存至计算机中。
    Ⅱ 操作步骤
    　1.将平抛运动实验器放在实验桌上，利用铅垂线，调节底座使方格板处于竖直面内。调节斜槽使其末端处于水平。将数码摄像机安装在支架上，进入动态影像模式（即摄像模式）转动变焦杆，进行变焦，使整个方格板能够在相机LCD监视器上显示，从而能够录下整个平抛运动。
    2.按下快门按钮开始录像，释放小钢球使其做平抛运动。小球落地后按快门结束录像。
    3.使用“从动态影像中创建静态影像”功能将录制的动态影像的全部帧显示为静态影像，间隔可选为1/30秒，查看录像是否清晰，不清晰可重做实验。（不具备此功能的相机可以在计算机中对影片进行查看）
    4.通过数据线或者读卡器将影片转存至计算机中进行处理。
    5.实验时应注意的问题
    a)方格板要处于竖直平面内，斜槽末端要保持水平，拍摄时使用三脚支架固定摄像机以保证相机的稳定，并使镜面与方格板平行。转动变焦杆，进行变焦，确保小球运动轨迹的范围应略小于相机取景范围，这样才能获得更多的图片
    b)钢球和方格板的颜色反差尽量要大，这样更有利于拍摄和观察，拍摄时光源既要为摄像配光同时也要有利于学生观察实验，所有光源均应配装合适的灯罩，以防光线直射数码相机镜头或学生的眼睛。
    Ⅲ 图片处理
    　1.将动态影片转换为静态图片
    　超级解霸的连续抓图功能，可以将动态的影片转换为静态的图片，但只支持几种常见影像格式如VCD、DVD或者MPEG1标准的．MPG以及.DAT、.VOB格式文件。其他的一些格式如MOV/ASF/RM/AVI都不行，松下FZ-18拍摄的影片为MOV格式，我们可以利用超级解霸的单帧播放及单张截图功能进行转换，具体操作如下。
    a)用超级解霸打开平抛运动录像，刚开始播放时按下“暂停”键，通过水平时间控制轴将录像调节至小钢球刚离开轨道末端的时刻，按下单张截图按钮，便可保存下第一张图片，命名为01。
    b)按一次单帧播放按钮，影片进入到下一帧，再次按下单张截图按钮，保存第二张图片，命名为02，重复操作至小钢球离开镜头。

    c)以上为钢球从离开斜槽至落在底端过程中的8张静态图片。
    观察以上图片会发现，图片中的钢球都拖有“尾巴”，这是由于摄相机快门速度比较慢导致的，提高快门速度即可。由于很多家用摄相机不能进行光圈的控制，这时解决的主要方法有：提高拍摄环境的亮度和提高感光度（ISO）设定。如果还不能解决问题，可以使用曝光补偿，以照片曝光不足为代价，来提高快门速度。对于课堂上的演示实验来说，这样的照片更加具有“动感”，通过这些“尾巴”更能反映出钢球的运动趋势，而且更加方便我们在后面描绘钢球的运动轨迹，在数据处理时可以取平均位置计算。
    2．将静态图片进行“叠加”
    双击图片设置图片格式，选择“版式”菜单，依次将8张图片的“环绕方式”选项为“浮于文字上方”，这样就可以把8张图片重叠放置在一起。使用图片工具栏中的“裁剪”命令将图片中的空白部分裁掉，只留下带有小球图像的部分，将这些图片进行组合，得到如下所示的组合图片（图3），通过“画图”程序保存为BMP等图片格式（图4）。于是，我们就得到了小球做平抛运动在不同时刻的平均位置，进而得到平抛运动的轨迹。

    图3                         图4
    有了平抛运动轨迹后，探讨平抛运动规律按常规方法处理即可。
    Ⅳ 实验优点
    　1．对数码摄像机灵活变通的运用，挖掘并拓展其功能，实现频闪照相的效果。
    2．实验图片选用更普及的处理软件而非专业图片处理软件Photoshop,更有利于学生利用此项技术开展活动。
    　3．通过“慢放”或者“频闪照片”，观察钢球的运动轨迹，使教学更加的生动具体，有助于学生对平抛运动规律的认识
    4．实验现象生动明显，可信度高，重复性好，可操作性强，有利于课堂演示，教学效果明显。
    参考文献:
    　[1]寿千里用数码相机和Photoshop进行频闪照相的方法物理教学探讨 2008，第3期
    [2]钱汝兰物理教学演示的视频拍摄物理教学探讨 2004，第8期 (责任编辑：admin)

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