| 标题 | 高速摄影与物理教学 |
| 范文 | 周文超 摘 要：在中学物理教学中引入高速摄影技术，可以激发学生兴趣，培养学生观察思考能力和提问能力，辅助理解部分概念和规律，使中学物理更加生动、有趣。 关键词：高速摄影；物理教学 中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148（2014）9（S）-0057-2 1 高速摄影简介 众所周知，人的眼睛的反应速度大约为0.1秒，眨一次眼时间大约为0.2秒，因此，很多变化较快的现象因无法看清而被大脑忽略。每秒24帧的图片播放会被人脑误以为是连续的画面也正缘于此。而每秒24帧的普通摄影也不足以呈现出物体作高速运动时足够的细节，电视转播体育赛事时，普通慢镜回放也经常无法看清球的落点或运动员的动作。自从高速摄影概念在2004年美国“国际高速摄影和光子学会议”上定义为：速度大于128幅/s，可连续获得3幅以上的摄影后，这一新兴技术得到快速迅猛的发展。 在高速摄影中，一帧的曝光时间被缩短至数千分之一秒，每秒可拍摄1000帧甚至更多。在这样的速度下，许多生活中常见的高速运动似乎静止了下来，给人们研究其中的细节和规律提供了极大的便利。同时，也为传统物理教学手段无法呈现的有价值的物理现象提供了新的研究途径。 高速摄影在表现形式上具有新颖性、艺术性、趣味性等特征，并能以一种全新的形式予以再现，部分取代了人为制作的模拟图像，为学生的学习和发展提供丰富多彩的教育环境和有力的学习工具，能有利于开阔学生的知识视野，启迪学生的形象思维，增强学生的理解记忆，激发学生的学习热情，改善学生的认知方法，从而大大提高学习的效率和效益。尤其对于高中物理学科而言，一些概念比较抽象难懂而又难以化抽象为形象；恰当地运用高速影像技术不但能化抽象为形象，利于学生对知识难点的理解，而且使教学生动有趣，激发学生的学习兴趣和学习热情。 另外，高速摄影声形并茂、形象生动、真实的表达效果，为物理的学习创设有助于学生发现问题、提出问题的良好学习情境。 方便的编辑方式，将难以捕捉的瞬变过程转化为定格分析，进而可以变抽象为形象、变动态为静态、化大为小、化小为大、化枯燥为生动，有助于激发学生研究物理现象的兴趣和热情，也为物理老师开展研究性教学提供了便利。丰富的网络视频资源可以实现方便的信息资源共享，丰富教学资源，使高中物理课程从封闭走向开放。 2 高速摄影在物理教学中的应用 2.1 引导学生重新认识身边的现象，激发学习兴趣 高速摄影能够将动作放慢10倍甚至更多，这使得观察高速世界的现象成为可能。高速世界在很长时间内一直是个看不见的世界，在高速摄影的帮助下，一些新的现象会引起学生极大的兴趣。 使用打火机是司空见惯的事，靠擦出的火花引燃喷出的丁烷气体的原理也很简单。但整个过程是在一瞬间完成的，使用高速摄影回放整个过程，呈现出火星引燃丁烷气流的精细过程。 2.2 向学生呈现精彩的物理现象，渗透美学教育 生活中人们身边的物理现象通常是平淡无奇的，课程中的许多物理现象也多少显得有些枯燥，知识性强但缺乏美感。然而，无论是自然界客观的事物，还是作为人类创造物的物理理论，都具有美的属性。如今，美育已被正式列入教育方针，这就要求我们在教学中，融入物理的美学因素。在高速摄影技术的帮助下，放慢10-100倍的世界显得美不胜收。一滴牛奶滴入一碗奶中，溅起类似皇冠的水花；肥皂泡被手指戳破的一瞬间，半个肥皂泡上还倒印着附近的景色，并呈现出五彩斑斓的干涉条纹。 2.3 创设有助于学生发现问题、提出问题的良好学习情境 从客观上说，人们往往对身边经常发生的事情习以为常，视而不见，一定程度上束缚了学生的想象力。如何鼓励学生对身旁的现象进行细致观察并进一步地思考一直是一个难题。使用高速摄影技术向学生呈现被忽略的生活现象中不为人知而又丰富多彩的细节，有助于提高学生的观察思考能力和提出问题的能力。 一次闪电的整个过程不超过0.5秒，肉眼只能看见一道明亮的闪光；而在高速摄影机拍摄的画面中，被电离而发光的空气指示着闪电寻找路径的过程，在与地面接通之后，放电也不是一次就完成的，而是在地面和云层之间来回数次。 2.4 呈现新的有力证据，使抽象概念和规律形象化 惯性是一个非常抽象的概念，“任何物体都具有惯性”对教师来说是一条简单常识，然而刚接触“惯性”的学生却往往难以很快接受：运动的物体具有惯性相对容易理解，但是静止的物体具有惯性却是理解上的难点——静止的物体在重力作用下常常很容易就运动起来了，似乎并没有惯性。刺破水气球的高速摄影便是提供了一个生动形象的例子：静止的物体在失去支持力的短时间内仍然保持原来的形状，证明了静止的物体同样具有惯性。 2.5 设计研究新的实验 在过去，重力作用下的实验现象往往一闪而过；在高速摄影条件下，以往由于太快看不清而无法完成的实验已经可以做到了。 一个很有弹性的圆环下坠一重物，圆环明显变形；松手后，圆环迅速被“压扁”而重物仍保持静止；在整个过程中，圆环反复拉伸、压缩，重物的下落也忽快忽慢。 3 未来展望 尽管高速摄影技术在近几年来才开始为人们所重视并应用到科学研究、体育竞技、军事、艺术等诸多领域，但其发展速度之迅猛令人始料不及：商业化高速摄像机已经能拍摄每秒100万帧的视频；2011年12月麻省理工学院Andreas Velten等人甚至已经获得帧率等效于每秒5000亿帧的影片，如此高的帧率使直接研究光子的运动细节成为可能。这也从侧面证明了这项技术的广阔应用前景。 在现今市场上，普通卡片机开始具备一定的高速连拍和高速摄影功能。以Casio FH100为例，能以640×480的像素分辨率实现120帧/秒的高速摄影。按照这个分辨率和帧频，定性地研究现象较明显的高速过程基本可以胜任。按照网络上基于高速摄影技术拍摄的视频资源快速增长，给我们获取相应的教学素材提供了便利。 相信在不远的将来，高速摄影会成为大众消费品走进我们的生活。中学物理课程可以将这一技术融入进来，不仅可以改进一些现象因过快而不明显的实验，而且可以据此设计一些新的实验，扩充物理课程资源库，使物理课更加生动、有趣。 参考文献： [1]黄树清.计算机与数码相机在高速频闪摄影中的应用[J].福建师范大学学报，2001，（3）：37. [2]André Heck.In a hurry to work with high-speed video at school[J].The Physics Teacher，2010，（48）：176. （栏目编辑 王柏庐） |
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