基于频闪截屏技术的数据探究.docx

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基于频闪截屏技术的数据探究

第四章基于频闪截屏技术的数据探究

视觉在认识与学习物理学过程中具有重要作用。

计算机有一双观察世界的“眼睛”——摄像头、数码相机或者摄像机。

借助它可以观察到肉眼难以观察的现象，使数据探究充满自由探索的乐趣。

本章将学习如何使用摄像头或者其他工具来探究科学规律。

第一节频闪截屏技术简介

频闪截屏技术是一种数据获取或者数据挖掘技术，它包括频闪图片的获取、频闪图片的拼接与合成、基于Excel和几何画板等软件的数据挖掘。

随着数码技术的发展，数码摄像机、数码相机、数码摄像头可以把所拍摄的图像显示在电脑屏幕上。

频闪截屏技术就是利用截屏工具将数码影像每间隔一段时间截取一张频闪图片，再通过图片处理工具将频闪图片拼接成一张图册，最后借助几何画板、Excel等工具在图册上探究科学规律。

频闪截屏技术在数据探究中具有如下特点：

1.成本低易于学生课下探究

摄像头的实验成本低。

这样既便于普及也便于学生课下研究感兴趣的运动。

比如研究落叶、百米赛跑等运动。

虽然数码相机成本较高，但是有的数码相机的拍摄频率可达1000桢/秒（例如CASIOEX-FH100数码相机），能够清晰地拍摄诸如自由落体等瞬时速度较快的远动。

此外，数码相机还具有携带方便的优点。

2.操作快捷

获取数码照片的过程只需要3到5秒，即排列成合成的图像，运用Excel等软件进行数据后期处理也很方便。

3.较易与现有实验设备衔接

频闪截屏技术可以直接拍摄现有的运动学实验的运动过程，由于是拍摄物体的运动过程，因此现有的实验装置都可以使用。

4.适合短时间和长时间实验

频闪截屏技术不但可以以0.05秒的时间间隔拍摄频闪照片，还可以将频闪频率调整到10分钟甚至一小时，这样频闪截屏技术就可以应用于比较长时间的实验之中，比如液体的扩散，太阳高度角的变化等等。

5.应用领域广泛

频闪截屏技术可以应用于探究自由落体运动的规律、单摆的周期公式、物体做圆周运动的条件、振动、用单摆测量重力加速度、动量守恒规律、扩散现象、测量干电池的寿命等等。

频闪截屏技术还可以很方便地运用于其他学科教学，比如观察花朵的开放和化学反应的速率等待。

频闪截屏技术、打点计时器和位移传感器的教学优势和劣势比较如下：

表1-1频闪截屏技术与打点计时器和传感器的比较

方法

精确度

实验速度

直观性

成本

课上参与

课下参与

频闪截屏

低

中

高

中

低

高

打点计时器

高

低

低

低

中

低

位移传感器

中

高

中

高

低

低

数据探究过程一般包括：

①科学问题产生；②数据获取；③数据挖掘；④数据交流与表达。

而频闪截屏技术一种数据获取或者数据挖掘的方法。

第二节频闪图片的获取

频闪图片既可以采用频闪截屏法实时捕获，也可以采用视频逐帧播放法获取。

频闪截屏的软件较多，Mr.Captor是其中的一种截屏软件。

Mr.Captor的使用方法如图4-1所示，通过点击“选项”菜单中“参数”命令，会弹出参数窗体，在“定时/视频”中可以设置频闪周期和保存路径等参数。

捕获频闪数据时需要首先在屏幕上选定方形捕获区域。

频闪周期可以调节，所捕获的图片将被自动地保存在特定的文件夹内。

图4-1.频闪截屏软件Mr.Captor（图中设置了频闪周期和保存的路径）

【范例1】：

用摄像头和Mr.Captor实时获取单摆频闪图片

图4-2.用频闪照相法研究单摆的运动规律实验装置图

如图4-2所示，用一个摄像头对准一个单摆拍摄，可以在计算机屏幕上看到单摆的摆动过程。

频闪截屏软件Mr.Captor，点击“选项”菜单中“参数”命令，将弹出参数窗体，在“定时/视频”中设置频闪周期为0.1秒，设定图片保存路径。

点击“

”按钮，在屏幕上圈定单摆振动的截屏区域，再点击鼠标右键，在弹出的菜单中选取“开始定时捕捉”命令，于是所捕捉的图片被记录在相应的文件夹中并被自动编号如图4-3所示。

图4-3.频闪照片获取后被放到一个文件夹中并自动编号

获取频闪图片的另一种途径是通过视频逐帧播放获取。

【范例2】：

通过视频逐帧播放获取两球碰撞频闪图片

首先通过摄像装置对实验现象进行拍摄，然后通过视频播放器逐帧播放获取频闪图片。

该技术即所谓视频提取技术。

频闪截屏的频闪周期可选为0.1秒或0.05秒，即每秒10桢或每秒20桢；而数码摄像机拍摄的录像是每秒30桢。

对于很快的运动过程，可以先录制录像片，然后用视频播放器逐桢播放而得到频闪图片。

图4-4两个小球斜碰的avi格式录像帧图

图4-4是两个小球斜碰的avi格式录像帧图。

用逐帧播放法和逐帧存图法可以得到二维碰撞频闪图片（如图4-5和图4-6所示）。

图4-5.用逐桢播放的方法从录像中获取码频闪照片

图4-6.用逐桢存图法获取的二维碰撞的频闪照片

视频提取技术是一种频闪截屏技术，它虽然不像频闪截屏技术那样方便快捷，却提高了频闪图片的精度。

第三节频闪图片的拼接技术

图片拼接技术包括拼接或者叠加合成技术，所谓拼接就是把频闪照片按照时间顺序拼接或者叠加起来，使之形成位移-时间图像。

一般用于探究一维运动。

而所谓叠加合成则是按照图像中物体与背景在颜色深浅上的差别，把许多幅图片中的物体的位置信息合成在一张图片上。

一般用于探究二维平面运动。

【范例3】：

用频闪图片拼接技术研究单摆的运动规律

得到的频闪图片中每张图片记录了物体在某一时刻的位置信息，对于一维运动来说，把这些图片排列起来就得到了位移时间图像。

将图4-7中的图片旋转90度，然后用ACDSee的图册功能生成一系列图像的拼图，这就是单摆的位移-时间图像（图4-7.拼接后的图片显示了单摆运动的位置-时间关系），每一竖条表示间隔0.1秒以后摆球的位置，当然这里的位置是相对的，于单摆的实际位移有区别。

图4-7.拼接后的图片显示了单摆运动的位置-时间关系

调整图册的列距，将各个图之间的界限去掉，生成下面的无缝图片（图4-8.拼接后单摆的位置-时间图象（无间隔））。

图4-8.拼接后单摆的位置-时间图象（无间隔）

第四节数据挖掘——基于几何画板和Excel软件技术

通过图片的拼接和叠加合成，我们可以得到机械运动的位置-时间关系，能够定性地反映位移随时间的变化规律，但是若定量地研究频闪图片，确定物体的实际位移，尚需要利用几何画板，Matlab，Excel等软件的数据处理功能。

【范例4】：

利用几何画板获取频闪图片中物体的位移数据

在用频闪截屏研究匀加速直线运动的实验中，用摄像头拍摄了一个滑块从斜面的顶端无初速度滑下的过程中（图4-9.用频闪截屏技术研究起点导轨上的匀加速直线运动示意图），得到了一组频闪照片（图4-10.气垫导轨上滑块的匀加速直线运动频闪图像）。

图4-9.用频闪截屏技术研究起点导轨上的匀加速直线运动示意图

图4-10.气垫导轨上滑块的匀加速直线运动频闪图像

用ACDSee得到的合成图为位置-时间图像（图4-11.气垫导轨上的匀速直线运动的位置-时间图像）。

图4-11.气垫导轨上的匀速直线运动的位置-时间图像

把图像复制到几何花画板中，用几何画板的“画点工具”，“度量工具”和“制表工具”把每滑块从开始下滑到滑块低端的过程中每一时刻的图上坐标标记出来（图4-12.用几何画板确定合成图中滑块每一时刻的相对位置并度量出标尺的图上距离）。

表4-2：

滑块匀加速滑下的过程中每一时刻的图上位移

计数点

y[A]

y[B]

y[C]

y[D]

y[E]

y[F]

y[G]

y[H]

y[I]

时间/秒

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

图上坐标

0

0.03

0.11

0.26

0.53

0.74

1.11

1.61

2.22

y[J]

y[K]

y[L]

y[M]

y[N]

y[O]

y[P]

y[Q]

y[R]

y[S]

0.9

1

1.1

1.2

1.3

1.4

1.5

1.6

1.7

1.8

2.73

3.76

4.31

5.34

6.46

7.59

8.41

9.82

11.27

12.94

图4-12.用几何画板确定合成图中滑块每一时刻的相对位置并度量出标尺的图上距离

图上的标尺直线TU的图上长度为12.99厘米，实际长度为70厘米，那么图上的每一个点的纵坐标都可以换算为实际的位移，计算公式为：

式41

【范例5】：

用Excel直接拟合法研究匀加速直线运动的位移-时间公式

将图4-12中的数据复制到Excel中，按式41换算后，把表4-2中的数据转换为实际距离，见表4-3。

表4-3：

滑块匀加速滑下的过程中每一时刻的实际位移

计数点

y[A]

y[B]

y[C]

y[D]

y[E]

y[F]

y[G]

y[H]

时间/秒

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

实际位移/厘米

0.0

0.2

0.6

1.4

2.9

4.0

6.0

8.7

y[I]

y[J]

y[K]

y[L]

y[M]

y[N]

y[O]

y[P]

y[Q]

y[R]

y[S]

0.8

0.9

1

1.1

1.2

1.3

1.4

1.5

1.6

1.7

1.8

12.0

14.7

20.3

23.2

28.8

34.8

40.9

45.3

52.9

60.7

69.7

按照表4-3中的数据绘制实际位移-时间图像，并进行拟合计算得到实际位移与时间的关系式（图4-13用频闪截屏技术研究匀加速直线运动规律的位移时间曲线及拟合公式）

图4-13用频闪截屏技术研究匀加速直线运动规律的位移时间曲线及拟合公式

令t=x，St=y，用多项式拟合的方法求得的拟合公式为

式42

忽略一次项和常数项，该匀加速直线运动的实际位移-时间关系近似为

式43

【范例6】：

用逢曲化直法研究匀加速直线运动的位移-时间公式

也可以采用逢曲化直的方法，用时间与位移的平方进行直线拟合（表4-4），这样用坐标纸就可以完成该拟合过程，当然也可以采用Excel的线性拟合工具来完成（图）。

表4-4：

滑块匀加速滑下的过程中每一时刻的实际位移与时间的平方的关系

计数点

y[A]

y[B]

y[C]

y[D]

y[E]

y[F]

y[G]

y[H]

时间/秒

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

时间的平方/秒的平方

0

0.01

0.04

0.09

0.16

0.25

0.36

0.49

实际位移/厘米

0.0

0.2

0.6

1.4

2.9

4.0

6.0

8.7

y[I]

y[J]

y[K]

y[L]

y[M]

y[N]

y[O]

y[P]

y[Q]

y[R]

y[S]

0.8

0.9

1

1.1

1.2

1.3

1.4

1.5

1.6

1.7

1.8

0.64

0.81

1

1.21

1.44

1.69

1.96

2.25

2.56

2.89

3.24

12.0

14.7

20.3

23.2

28.8

34.8

40.9

45.3

52.9

60.7

69.7

图4-14.用频闪截屏技术研究匀加速直线运动规律的位移与时间的平方曲线及拟合公式

令x=t2，St=y，用线性拟合的方法求得的拟合公式为

式44

忽略常数项，该匀加速直线运动的实际位移-时间关系近似为

式45

通过光电门测得导轨上的实际加速度为50.0厘米/秒2，因此位移时间关系的准确公式应为

式46

相比之下，直接拟合法的拟合结果比逢曲化直法的拟合结果要好。

用频闪截屏技术研究两个物体在气垫导轨上的碰撞过程中，可以用几何画板直接分析图上位移-时间图像的斜率，进而验证动量守恒规律。

【范例7】：

探究一维完全弹性碰撞

在气垫导轨上用一个滑块去碰撞一个静止的滑块，这是频闪照片和频闪照片旋转90度后的拼接图。

图4-15.用频闪截屏技术研究一维完全弹性碰撞的频闪照片

图4-16.将完全弹性碰撞的频闪照片旋转90度后的拼接图

为了便于几何画板处理，将图粘贴到几何画板中横坐标为图上时间，纵坐标为图上位移，由于每一幅竖条之间的时间间隔都相等，因此图上时间与实际时间成正比，图上位移与实际位移成正比，定义图上速度为：

式47

即图上速度与实际速度成正比，由于两个滑块质量相等，要验证动量守恒，只需验证碰撞后图上速度之和与碰撞前图上速度之和相等即可。

如图4-17.一个滑块去碰撞质量相等的另一静止滑块的过程中动量守恒（用斜率来表示图上速度），碰撞前和碰撞后发生了速度交换，碰撞后的速度略小于碰撞前的速度是能量损失的结果。

图4-17.一个滑块去碰撞质量相等的另一静止滑块的过程中动量守恒（用斜率来表示图上速度）

【范例8】：

探究出租车的运动速率

思考与练习

1.频闪截屏技术可以用在哪些教学环节之中？

2.尝试用频闪截屏技术研究任何一个感兴趣的问题。