Cómo utilizar una cámara SLR digital y una fuente de luz estroboscópica para capturar el movimiento de caída libre en experimentos de física de la escuela secundaria

Ye (325200 Ruian Longshan Middle School, Zhejiang)

Resumen: este artículo toma la enseñanza del curso "Movimiento de proyectiles planos" como ejemplo para presentar Hay dos aplicaciones ingeniosas de las cámaras digitales en experimentos de demostración física: una es usar cámaras digitales y sistemas de proyección de video para tomar fotografías en el sitio de los experimentos de demostración, filmarlas y reproducirlas. 2. Utilice la función de disparo mágico "multisegmento" de las cámaras digitales para disparar, analizar y estudiar objetos en movimiento a alta velocidad.

Palabras clave: cámara digital, cámara de proyección de pantalla plana

Con la continua profundización de la reforma del sistema educativo de mi país, la reforma de la educación física también se está desarrollando rápidamente, lo que no solo Implica enseñar contenidos, enseñar formas y enseñar arte. La innovación y la modernización y diversificación de los métodos de enseñanza se han convertido gradualmente en un aspecto importante de la reforma de la educación física. En la actualidad, la amplia aplicación de las cámaras digitales se ha convertido en un asistente indispensable en la vida y el trabajo de las personas. Cómo introducir la aplicación de cámaras digitales en la enseñanza de física en el aula se ha convertido en un nuevo método de enseñanza y uno de los temas importantes en la reforma de la educación física. Basado en mis propios intentos en los últimos años, descubrí que la introducción de cámaras digitales (con función de disparo de "segmentos múltiples", función de cámara y salida de video) producirá efectos de enseñanza inesperados en la enseñanza en el aula, especialmente en la enseñanza experimental de demostración. Tomemos como ejemplo la impartición del curso “Movimiento de Proyectiles Planos” para hablar de aplicaciones específicas.

En el curso "Movimiento de un proyectil plano", ¿cómo se descompone el movimiento de un proyectil en un movimiento lineal uniforme horizontal y un movimiento vertical de caída libre? Este es el enfoque y la dificultad de la enseñanza. Para superar este enfoque y dificultad, es necesario realizar experimentos de demostración relevantes, configurar el experimento de demostración que se muestra en la Figura 1 en el libro de texto y proporcionar las fotografías estroboscópicas que se muestran en la Figura 2.

Figura 1 Figura 2

En el experimento de demostración de la Figura 1, el objeto se movía demasiado rápido y los estudiantes no podían observar claramente el proceso de movimiento intermedio. Sólo pueden juzgar de forma aproximada que la dirección vertical es caída libre a través de un sonido al aterrizar, y es aún menos posible juzgar que la dirección horizontal es un movimiento lineal uniforme. Las desventajas de las fotografías estroboscópicas como la Figura 2 son que los requisitos para los instrumentos experimentales durante el proceso de disparo son altos (se requieren flashes estroboscópicos de alta precisión y alta frecuencia) y el proceso de operación es complicado (estrictamente hablando, el disparo debe ser realizado en cuarto oscuro, y algunas cuestiones específicas de fotografía profesional). Si es fotografía tradicional, requiere un proceso de lavado, etc., y el proceso de producción es complicado, lo que no favorece las demostraciones en el aula. Además, lo que los estudiantes ven es sólo una fotografía preparada, que carece de realismo y franqueza. Bajo este método de enseñanza, la mayor parte de la clase solo pueden ser conferencias teóricas y los estudiantes no pueden sacar conclusiones mediante observación, análisis y experimentos. Solo pueden confiar en su propio nivel de capacidad para imaginar el proceso y los resultados del experimento, lo que hace que los estudiantes acepten mecánicamente la descomposición y las reglas de los movimientos de lanzamiento plano, y el efecto de enseñanza de toda la clase no será ideal. Si las cámaras digitales pueden introducirse inteligentemente en las demostraciones, tendrán efectos inesperados para superar esta dificultad de enseñanza. La siguiente es una introducción detallada a dos métodos de uso de una cámara digital para demostrar la acción de lanzamiento plano.

1. Utilice una cámara digital y un sistema de proyección de vídeo para filmar el experimento del movimiento de lanzamiento plano en el lugar, filmarlo y reproducirlo.

Basándose en el contenido del libro de texto, el autor mejoró el experimento de demostración, como se muestra en la Figura 3: Se fijan dos toboganes idénticos y lisos en el lado izquierdo del tablero de demostración vertical, uno alto y otro bajo. , con la esquina superior derecha fija Un electroimán.

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Figura 3

Durante el proceso de demostración, se utilizó una cámara digital (con función de cámara y salida de vídeo) para capturar, filmar y reproducir la demostración. Experimente en el sitio, guíe a los estudiantes a observar y analizar videoclips en "cámara lenta", derivar las reglas del movimiento de lanzamiento plano y luego completar la enseñanza en el aula de este curso y lograr buenos resultados. La operación específica se divide en los siguientes pasos:

1. Prepare la selección y conexión de los instrumentos experimentales y el equipo del sistema de cámara: el dispositivo experimental de demostración se coloca plano sobre una mesa horizontal, como se muestra en la Figura 3. Prepara dos bolas de hierro idénticas. Elija cámaras digitales de gama alta y media (con función de cámara y salida de video), que vienen con una pantalla de monitoreo en color y un sensor CCD más grande de 500.000 a 3 millones de píxeles, que puede lograr una mayor definición. . Las máquinas de tamaño alto y mediano están equipadas con lentes con zoom óptico de 3X-30X con funciones automáticas y manuales completas. Monte su cámara digital directamente sobre un soporte de iluminación ajustable o serpenteante. Utilice un cable blindado para conectar la salida de señal de su cámara digital a su computadora o directamente a su proyector de video.

2. Demuestre, dispare y juegue el experimento "La dirección vertical del movimiento de lanzamiento plano es un movimiento de caída libre": tome dos bolas idénticas y coloque una en el tobogán (liso) en la esquina superior izquierda del dispositivo. a cierta altura colocarlo y atraerlo con un imán, y el otro se coloca a la misma altura en la esquina superior derecha del dispositivo y lo atrae con un imán. Control de cambio automático: cuando la primera bola sale del final del tobogán, la otra bola cae al mismo tiempo, una haciendo un movimiento de lanzamiento plano y la otra haciendo un movimiento de caída libre. Como se puede ver en el papel cuadriculado de fondo, están casi al mismo nivel durante toda la caída y finalmente aterrizan al mismo tiempo. Todo el experimento fue capturado con una cámara digital. Después de que los estudiantes observan la demostración física, observan directamente el video y luego analizan la "reproducción lenta" del video para inspirar a los estudiantes a analizar y permitirles concluir que el movimiento de lanzamiento horizontal es un movimiento de caída libre en dirección vertical. A continuación (Figura 4-6) se muestran varias tomas del vídeo reproducido a baja velocidad.

Figura 4 Figura 5 Figura 6

3. Demostración, tiro y juego de pelota: la dirección vertical del movimiento de lanzamiento plano es un movimiento lineal horizontal y uniforme: tome dos pelotas idénticas, y coloque uno en la esquina superior izquierda del dispositivo a una cierta altura del extremo horizontal, y el otro con imanes colocados en la esquina inferior izquierda del dispositivo a la misma altura del extremo horizontal. El interruptor se utiliza para controlar la caída de dos bolas al mismo tiempo, una para realizar un movimiento de lanzamiento plano y la otra para realizar un movimiento lineal uniforme miope. Se puede ver en el papel cuadriculado de fondo que están casi en la misma línea vertical durante todo el movimiento y finalmente llegan a la pequeña bolsa de malla a la derecha al mismo tiempo. Todo el experimento fue capturado con una cámara digital. Después de que los estudiantes observan la demostración física, observan directamente el video y luego analizan la "reproducción lenta" del video para inspirar a los estudiantes a analizar y permitirles concluir que el movimiento de lanzamiento plano es un movimiento lineal uniforme en dirección horizontal. Las siguientes (Figura 7-10) son varias tomas del vídeo reproducido a baja velocidad.

Figura 7 Figura 8

Figura 9 Figura 10

Al tomar fotografías con una cámara digital, preste atención a los siguientes puntos:

1. Al disparar, la fuente de luz no solo debe usarse para la distribución de la luz de la cámara, sino también para facilitar los experimentos de observación de los estudiantes. Los balastros electrónicos de alta frecuencia de color luz diurna pueden utilizar lámparas de bajo consumo de alta eficiencia o lámparas incandescentes de mayor potencia. Las piezas especiales a veces requieren focos de lámparas incandescentes de baja potencia. Todas las fuentes de luz deben estar equipadas con pantallas de lámpara adecuadas para evitar que la luz incida directamente en la lente de una cámara digital o en los ojos del estudiante.

2. Al fotografiar el movimiento de la pelota con una cámara digital, debes prestar atención al gran contraste entre el fondo y la pelota. Se puede instalar directamente en un tubo de serpiente, en un soporte de iluminación ajustable o en un trípode para mantener la cámara quieta mientras dispara.

2. Utilice la función de disparo mágico "multisegmento" de la cámara digital para disparar y analizar el experimento de movimiento de lanzamiento plano.

El modo de disparo mágico llamado "multisegmento", en concreto, puede tomar 16 fotografías de forma continua en 0,5 segundos, es decir, una foto cada treintava parte de segundo, lo cual es extremadamente raro. (disponible en cámaras digitales de gama media a alta, como la cámara Sony-T1). Es sólo que en este modo de disparo, la calidad de la imagen se reducirá. Para una cámara de 5 megapíxeles, los píxeles de cada foto son solo alrededor de 65438+ millones (es por eso que las cámaras digitales profesionales no tienen esta función), pero esto es suficiente para nuestro experimento de física de la escuela secundaria. Como se muestra en la Figura 11, es una fotografía de un movimiento de lanzamiento plano tomada en este modo de disparo. La Figura 12 es el resultado de la combinación del software Photoshop de varias imágenes en la misma fotografía. Guía a los estudiantes para demostrar que la dirección horizontal es un movimiento uniforme y la dirección vertical es un movimiento uniforme. La aceleración medible es de aproximadamente 9,7 m/s2.

Presta atención a los siguientes puntos durante el proceso de rodaje específico.

1. El intervalo de tiempo de disparo es opcional. Por ejemplo, la Sony-T1 tiene tres opciones: 30 fotogramas por segundo, 15 fotogramas y 7,5 fotogramas. Sin embargo, no importa cuál sea, sólo puede tomar 16 fotogramas consecutivos a la vez, por lo que el tiempo de disparo continuo de cada uno. El fotograma es diferente. Se pueden tomar 30 fotogramas por segundo de forma continua. Tome 0,5 fotografías. Se pueden disparar 15 fotogramas por segundo de forma continua durante 1 segundo y se pueden disparar 7,5 fotogramas por segundo de forma continua durante 2 segundos. Debido a que el tiempo de disparo continuo es muy corto, todos deben prestar atención al momento del disparo. Afortunadamente, las cámaras digitales no utilizan película, así que puedo volver a tomar fotografías. Algunas cámaras pueden seguir disparando durante mucho tiempo, lo cual es mejor.

3. Debido a que el sujeto es un objeto en movimiento, si la velocidad de obturación es demasiado lenta, la imagen capturada aparecerá borrosa, por lo que es necesario aumentar la velocidad de obturación. Por supuesto, muchas cámaras digitales son cámaras de apuntar y disparar que no pueden controlar la apertura ni el obturador. La principal solución en este momento es: aumentar el brillo del entorno de disparo y aumentar la configuración de sensibilidad (ISO). Si el problema no se puede solucionar, puedes utilizar la compensación de exposición para aumentar la velocidad de obturación, a expensas de subexponer la foto.

4. Esta función de disparo mágico "de varias etapas" también se puede utilizar con el sistema de proyección de vídeo para disparos y reproducciones reales, haciéndolo más realista.

A juzgar por los resultados reales del proceso de enseñanza del curso "Movimiento de proyectiles planos", la introducción de la función de cámara de la cámara digital y el experimento de demostración y análisis de la función de disparo mágico "en múltiples etapas" ha mejorado enormemente. mejoró la enseñanza en el aula de este curso. Crea un efecto de enseñanza más vívido e intuitivo, que puede atraer el gran interés de los estudiantes en el conocimiento de la física cognitiva y dejar una profunda impresión en el conocimiento que han aprendido.

La mágica función de disparo "multisegmento" de las cámaras digitales no solo puede estudiar el movimiento de lanzamiento plano, sino también objetos en movimiento a alta velocidad, como el movimiento de caída libre, el movimiento armónico simple y la conservación del impulso. En el experimento de conservación del impulso, es difícil completarlo con fotografía estroboscópica, porque el movimiento alternativo hace que se superpongan múltiples imágenes en el mismo negativo, lo que es difícil de identificar. Las fotos tomadas con este modo de función de disparo mágico de "varias etapas" no existen. .

Además de fotografiar objetos en movimiento a alta velocidad, las cámaras digitales también se utilizan para fotografiar interferencias, franjas de difracción, formas de onda de osciloscopios e incluso campos microscópicos en entornos oscuros. Por ejemplo, en el experimento de demostración de movimiento browniano, después de la depuración, conecte una cámara digital con función de cámara al canal óptico, insértela en la interfaz de la cámara del microscopio estereoscópico o extraiga el ocular de observación e insértelo en el tubo del ocular. El extremo de salida de señal de la cámara digital está conectado a un televisor de pantalla grande con un cable blindado o un proyector de video. Esto le permite ver una imagen grande del "movimiento browniano" en un televisor de pantalla grande o en una pantalla de proyección: una gran cantidad de partículas suspendidas de color amarillo publicitario que se han estado moviendo erráticamente. En clase, bajo la dirección del profesor, los estudiantes observaron y analizaron cuidadosamente estas imágenes, registraron la trayectoria del movimiento de una partícula en diferentes momentos, iniciaron acalorados debates y profundizaron su comprensión de la naturaleza del movimiento browniano. Todo esto se hace en apenas unos minutos, lo que no sólo ahorra tiempo sino que también consigue buenos resultados didácticos.

La función de disparo de las cámaras digitales y la mágica función de disparo "multisegmento" no solo pueden disparar y reproducir, sino también capturar el contenido capturado en la computadora a través de la tarjeta de captura de video y utilizar el no- Software de edición lineal Premeiere 6.0 para editar en un archivo de video y luego colocarlo en la pantalla a través de un proyector. Es adecuado para presentaciones en el aula y el efecto es muy bueno.

En resumen, la introducción de cámaras digitales en los experimentos de demostración de enseñanza en el aula hace que los experimentos de demostración en el aula sean más coloridos, compensa efectivamente las deficiencias de algunos experimentos en la enseñanza de física en el aula y es más realista y realista que el directo. Simulación por ordenador. Funciones intuitivas. Por lo tanto, la introducción de cámaras digitales es una innovación en los métodos de enseñanza en la reforma de la enseñanza de física en las aulas y desempeñará un papel positivo en la promoción de la reforma y el desarrollo educativos.

Materiales de referencia:

1. "Demostración de enseñanza de física" de Qian Rulan, número 8 de 2004, grabación de video, discusión sobre enseñanza de física

2. Tecnología multimedia en experimentos de fotografía estroboscópica Physics Experiment 2004, 12.