新型频闪照相系统的研制与应用
摘? ?要：文章介绍了一种性价比较高的自制新型频闪照相系统，该系统由数码单反相机、LED自携式频闪仪、快门同步控制器和运动轨迹分析软件四部分组成。着重论述了LED自携式频闪仪和快门同步控制器的结构及工作原理，通过实例说明如何用该频闪照相系统拍摄物体运动的频闪照片，用运动轨迹分析软件精确测定运动物体在不同时刻位置的像素点坐标，从理论上推导出实际位置坐标和像素点坐标之间的关系，以及用电子表格处理数据的优势。
关键词：频闪照相;LED自携式频闪仪;快门同步控制器;运动轨迹分析
中图分类号：G633.7 文献标识码：A ? ? 文章编号：1003-6148（2020）7-0046-4
研究物体的运动，需要记录它不同时刻的空间位置，或者直接显示其运动轨迹。现行高中物理课本中采用了三种实验装置来定量研究物体的运动，分别是打点计时器、频闪照相系统和传感器。由于传统频闪照相有诸多不便，无法在课堂上实施，所以一般仅让学生观看现成的照片。用传感器研究物体的运动，虽然快捷、直观，但由于经费有限，一般学校的实验室没有实验装备，无法开展实验。
研究物体运动最常用的仪器是打点计时器，打出的纸带需要用刻度尺测量数据。因为用计算机处理数据还需一个录入数据的过程，比较耗时，所以实际实验操作中一般用手工处理数据，信息化程度不高。同时，打点计时器对研究对象的运动有影响，且实验操作过程比较繁琐。
随着科学技术的进步，照片存储方式由胶片改为数字存储，再加上数码相机的普及，这为我们重新利用频闪照相研究物体的运动创造了条件。笔者在教学中研发了一套成本低廉、可靠性高、实验效果显著的频闪照相系统。该系统有别于传统频闪照相系统，室内光线对频闪照片的影响很小，所以能当堂实验，即时用计算机处理数据，大大减少了实验时间。
1? ? 新型频闪照相系统的组成及基本工作原理
该系统中最重要的实验器材是数码单反相机，我们要用相机的慢快门记录物体的运动轨迹。LED自携式频闪仪能在运动轨迹中加入时间信息，且能实现教室内当堂实验;快门同步控制器精准控制快门开启时小车（或小球）开始运动;“运动轨迹分析”软件抓取频闪照片中的位置坐标，并自动发送到Excel表格中。
1.1? ? LED自携式频闪仪
1.1.1? ? 频闪仪的结构
LED自携式频闪仪由步进电机驱动模块、6 V直流电源（2块CR2032锂电池）和直径为3 mm的发光二极管三部分组成。图1是自携式频闪仪内部电路结构图，SW1为电源开关，SW2为频率选择开关。图2是自携式频闪仪的外观图，背部粘有魔术贴的勾面。魔术贴的毛面粘在小车的侧面，实验时频闪仪和小车通过魔术贴连接。
1.1.2? ? 频闪仪的基本原理
当电源开关闭合时，步进电机驱动模块发出的窄脉冲驱动LED二极管发出频闪光。频闪仪被安装在运动物体上，这样相机拍摄到一串LED频闪发光小亮点，即为物体运动过程的频闪照片。
步进电机驱动模块有两路独立的矩形波信号输出，可以分别设置频率、占空比。频率和占空比在模块的数码管上直接显示。该模块工作电压为5～30 V，输出电流在8～30 mA之间，输出峰值电压为5 V，频率范围为1 Hz～150 kHz，占空比在1%～99%之间调节。
图3是矩形波信号的示意图，T为周期，t为一个周期内高电平持续的时间（脉冲宽度）。信号的占空比指的是高电平持续的时间与整个周期的比值，即：
步进电机驱动模块输出高电平时，二极管发光;模块输出为低电平时，停止发光。占空比越小，电路高电平输出时间就相对越短，二极管发光时间也就越短。为了减小频闪记录点的拖尾现象，在拍摄出清晰的频闪记录点的前提下应尽量减小占空比。
1.1.3? ? 频闪光源的频率
考虑到高中物理实验中常用的频率，两路矩形波信号输出频率分别设定为10 Hz和25 Hz，用波段开关SW2选择。为了获得清晰的频闪记录点，且无明显拖尾，反复实验后，占空比分别设为1%和2%，在应用中无需调节占空比，直接切换合适的频率使用。
为了提高实验的可信度，需要用数字存储示波器对自携式频闪仪的频率进行精准测定。标称10 Hz的频闪光源的精确频率为10.04 Hz，标称25 Hz的频闪光源的精确频率为25.12 Hz，偏差均小于0.5%。在一般的实验中，我们仍然用10 Hz和25 Hz确定频闪时间间隔。
1.1.4? ? LED自携式频闪仪的优点
由于LED自携式频闪仪的功耗很低，所以不需要和快门联动，只需实验开始前打开频闪仪的开关，实验结束关闭开关即可。另外，该频闪仪的制作成本很低，便于推广。
1.2? ? 快门同步控制器
在频闪照相时，若靠人工释放物体，释放的过早或过迟，会造成物体的运动轨迹记录不全，造成轨迹缺头或缺尾，影响实验进程。要想拍摄出物体运动全程的轨迹，必须有充裕的快门时间，但这又会造成过度曝光，记录的频闪点不清晰，影响数据测量。最佳的状态是，物体开始运动时快门开启，到达终点时快门关闭。快门同步控制器就是要實现快门开启和物体开始运动的同步。因照片以数字方式存储，所以快门关闭时刻无需精准控制，只要快门时间略大于物体运动时间，在运动结束后快门自行关闭，就可以拍出完美的频闪照片。
1.2.1? ? 快门同步控制器的结构
该频闪照相系统的快门同步控制器，充分发挥了照相机闪光灯无线触发器（包括发射器和接收器）的作用，和双D触摸开关电路模块、电磁铁一起组成频闪照相快门同步控制器，如图4所示。双D触摸开关电路模块、开关电路电源B1和辅助电路组装在一个盒子里（以下简称控制盒），如图5所示。闪光灯接收器和控制盒是分离的，通过热靴接口接驳，没有破坏接闪光灯接收器的结构，不影响闪光灯触发器在日常拍照时的应用。开关SW1和SW2集成到同一个的钮子开关（2挡4脚）中，同时控制开关电路和工作电路的通断。控制盒的输出接线柱与继电器的常闭端相接。
进行实验拍照时，将铁芯为软铁的电磁铁固定在长木板的一端，闪光灯发射器安装在数码相机的热靴上，闪光灯接收器安装在快门同步控制盒上。控制盒的输入端接直流6～9 V电源，输出端接电磁铁，输入和输出共用一个负接线柱。需要说明的是，控制盒可以和任意型号的闪光灯触发器匹配，实验前一定把接收器的开关置于“W”端。
1.2.2? ? 快门同步控制器的工作原理
按下照相机快门时，闪光灯接收器接收到来自发射器的无线触发信号，立即给双D触摸开关的控制端“M”输入一个上沿脉冲，继电器的常闭端打开，电磁铁失去磁性而释放小车。快门同步控制小车运动的流程如图6。
双D触摸开关上电时，输出存在不确定性。因此，当指示灯不亮时，表明电磁铁不通电，这时需要按下闪光灯发射器上的测试按钮，使开关电路发生翻转，电磁铁通电，吸住小车（或小球）。
1.3? ? “运动轨迹分析”软件
将频闪照片传至电脑后，用一款名为“运动轨迹分析”的软件打开频闪照片，该软件会自动打开一个关联的Excel电子表格。在频闪照片中选取若干连续的频闪记录点来研究物体的运动，用鼠标光标在频闪记录点上依次单击，获取其相对于照片左上角的二维像素点坐标，并自动发送到电子表格中。根据频闪仪的光源频率，在电子表格中修改时间信息，之后再进行数据处理。
该软件的详细应用在后面的实例中再进行阐述。
2? ? 用新型频闪照相系统研究物体的运动
2.1? ? 照相机安装及参数设定
频闪照相实验完全可以在教室或实验室内进行。为了让运动物体的频闪记录点更加清晰、可见，实验中可拉上窗帘，选取黑色或白色的背景进行拍摄。
用三脚架固定数码相机，相机架设时一定要保证镜头正对运动视场，镜头离运动物体2 m左右（视镜头的焦距而定，焦距越短，距离越近）。参考三角架上的水准仪，调整相机前后方向、左右方向水平，防止照片中的竖直方向和实际竖直方向出现偏差。
相机选择快门优先模式，快门时间根据研究对象的运动时间设定（略大于运动时间）。先预测运动时间，预拍后根据照片情况再做调整。在快门优先模式下，感光度ISO和光圈大小根据室内光线和快门时间自动调节，不需要人工设定，可快速拍摄，节约实验时间。
为了实现快门的开启和小车开始运动的同步，相机的闪光灯参数设置为“强制闪光”（不同品牌相机的菜单有所不同，具体的设置方法参考照相机说明书）。为了避免手按快门时相机的抖动，可以通过以下三种方式实现快门开启：快门线拍摄、延时自拍、遥控器拍摄。
为了减小实验误差，镜头最好用定焦镜头，焦距越短，照片产生的畸变越小。
2.2? ? 实验操作
我们以实验“探究加速度与力、质量的关系”为例，说明如何使用该频闪照相系统研究物体的运动。在该实验中，需要测量不同条件下小车的加速度，我们就某次实验为例说明如何进行频闪照相，具体操作如下：
①安装好长木板，将频闪仪安装在小车上，平衡小车所受的摩擦力;
②连接电路，快门同步控制器的输入端接在直流6 V电源上，输出端接电磁铁;
③将闪光灯发射器安装在照相机的热靴上，接收器安装在快门同步控制盒上，并将接收器的开关置于“W”端;
④打开控制器的开关，电磁铁吸住小车，把钩码挂在细线末端，调节细线和木板平行;
⑤打开频闪仪的开关，选择合适的频闪频率;
⑥将相机拍照模式调为快门优先模式，设置快门时间，对焦点选择在标尺上，对焦后按下快门，开始拍摄;
⑦拍照结束后，分别关闭控制器和频闪仪的开关，观察成像质量;
⑧若照片不理想，则调节照相机参数，重新实验。
图7是该实验中拍摄的其中一张照片，频闪光源频率为25 Hz，快门时间为1.3 s。尽管实验室内开着灯，但频闪记录点依然清晰可见。
2.3? ? 数据测量及处理
把实验中拍摄的频闪照片导入到电脑中，用一款名为“运动轨迹分析”的软件进行数据处理。下面以“探究加速度与力、质量的关系”实验中拍摄的其中一张频闪照片为例，来说明如何用该软件进行数据测量和处理。
打开该软件，点击软件中的“载入图片”，选择要研究的照片，确定后会自动打开一个关聯的Excel表格。图8是用该软件打开频闪照片时的截屏。
点击“放大”或“缩小”，便于精准定位。在读取数据的过程中，照片不可以再放大或缩小，拖动水平或竖直滚动条方便选择频闪记录点。
先点击“读取标尺”，在标尺上取两个点依次点击，把状态栏中标尺数据△x、△y复制到电子表格中，两点间的实际距离也录入到电子表格中。再点击“读取坐标”，光标置于频闪记录点正中心单击，该点的像素点坐标值会自动发送到Excel表格中。由于电磁铁剩磁的影响，前端几个密集的频闪记录点不要读取;小车运动到长木板末端时，要阻拦小车，所以标尺刻度为60 cm之后的点也不要读取，中间的频闪记录点按顺序依次点击。之后根据实验中频闪仪光源的频率修改电子表格中的时间信息。
可以用Excel处理数据，本文不再冗述。
3? ? 结? 语
通过用自携式频闪仪和数码相机慢快门拍照的方式，可以准确记录研究对象的运动情况，“运动轨迹分析”软件可以精确测定运动物体在不同时刻的位置坐标，电子表格能够快速处理数据。该频闪照相系统完全可以进入中学物理实验室，成为信息技术与物理课程整合、教育手段现代化的一个新的突破口，而且还能突出物理学科重实际、重应用的特点，对培养学生实践动手能力，激发学生学习科技的兴趣，提高综合素质和发展创新思维发挥着重要的作用。
参考文献：
[1]刘彬生，吴月江，汪维澄.创新中学物理实验[M].北京：北京师范大学出版社，2011：1-14.
[2]王晓鹏.面包板电子制作130例[M].北京：化学工业出版社，2015：172-173.
[3]中华人民共和国教育部.普通高中物理课程标准（2017年版）[S].北京：人民教育出版社，2018：52-54.
（栏目编辑? ? 王柏庐）
收稿日期：2020-01-29
基金项目：本文为2018年度甘肃省“十三五”教育科学规划一般自筹课题“以培养物理学科核心素养为目的的习题教学研究”（课题立项号GS[2018]GHB1074）的研究成果。
作者简介：张多生（1974-），男，中学一级教师，主要从事高中物理教学工作，曾获甘肃省2018年优课二等奖。
