Ⅰ 利用数码单反相机和频闪光源拍摄高中物理实验的自由落体运动的过程方法
数码相机在物理演示实验中的巧用
叶文义（隆山高级中学 浙江瑞安 325200）
摘 要：本文以《平抛物体的运动》一课教学为例，介绍了数码相机在物理演示实验中两种巧妙的运用：一、利用数码相机并配合视频投影系统对演示实验进行现场摄像，实拍实放。二、利用数码相机的“多段”的神奇拍摄功能来拍摄、分析、研究高速运动的物体。
关键词：数码相机 平抛 摄像
随着我国教育体制改革不断深化的步伐，物理教育改革也发展迅速，其中不仅涉及教学内容、教学形式、教学艺术等方面的革新，而且教学手段的现代化、多样化也逐渐成为物理教育改革的重要方面。当前丰富多彩的社会生活中，数码相机的普遍应用已经成为人们生活、工作中不可缺少的得力助手，如何将数码相机的应用引入到物理课堂教学中来，成为一种新型的教学手段，也正是物理教育改革的重要课题之一。笔者根据自己这几年的尝试，发现在课堂教学中特别在演示实验教学中，引入数码相机（带“多段”拍摄功能、摄像功能及视频输出）则会有意想不到的教学效果。下面以《平抛物体的运动》一课教学为例谈谈具体的应用。
在《平抛物体的运动》一课的教学中，平抛运动是怎样分解为水平方向的匀速直线运动和竖直方向的自由落体运动的？这是教学的重点和难点，要克服这个重点和难点则必需做好相关的演示实验，在教材中设置如图1所示的演示实验和提供如图2所示的频闪照片。
图1 图2
而图1中的演示实验中物体运动太快，学生无法清楚的观察中间的运动过程，只能凭落地时的一个声音来粗略的判断竖直方向是自由落体，更加无法判断水平方向是匀速直线运动。对于这样图2所示的频闪照片，它的缺点在于在拍摄过程中对实验仪器要求较高（需要高精度、高频率的频闪闪光灯），操作过程复杂（严格地说必须在暗室中拍摄，而且有一些具体的摄影专业问题），如果是传统摄影，还需要有一个冲洗等待的过程，其制作过程复杂，不利做课堂演示。而且学生看到的只是一张事先准备好的照片，缺乏真实感和直接感。 在这样的教学方法下，这节课大部分只能是的理论宣讲，学生无法做到通过观察实验、分析实验而自主得出结论，只能凭借自身的能力水平想象该实验的过程和结果，导致学生对平抛运动的分解和规律也只能是机械接受，整节课的教学效果不会太理想。如能巧妙的在演示中引入数码相机，则对突破这一教学难点，会有意想不到的效果。下面具体介绍数码相机在演示平抛运动的两种方法。
一、利用数码相机并配合视频投影系统对平抛运动实验进行现场摄像，实拍实放。
笔者根据教材的内容，对演示实验如图3所示进行改进：把两条一模一样得较光滑得斜槽一高一低固定在竖直演示板左侧，在右上角固定一电磁铁。
，
图3
演示时利用数码相机（带摄像功能、视频输出）对演示实验进行现场摄像，实拍实放，引导学生观察、分析“慢镜头”录像片段，从中得出平抛运动的规律，再从而完成该课的课堂教学，则取得较好的效果。具体操作分为以下几步：
1．准备实验仪器和摄像系统器材的选择和连接：演示实验装置如图3所示平放在水平桌面上。准备两个一模一样得铁球。选择高、中档（带摄像功能及视频输出）的数码照相机，自带监视彩屏，装有50万—300万像素、较大尺寸CCD传感器，能达到更高的清晰度。。高、中机装有3X-30X光学变焦镜头，且自动、手动功能齐全。把数码相机直接安装在蛇形管或可调照明灯支架上。将数码相机的信号输出端用屏蔽导线连接到计算机或直接连接到视频投影仪上。
2．演示、拍摄、播放“平抛运动竖直方向是自由落体运动”的实验：取两个一样的的小球，一个放在装置左上角斜槽（较光滑）的某一高度用磁铁吸住，另一个放在装置右角相同的高度用磁铁吸住。用开关自动控制：当第一个小球离开斜槽末端瞬间，另一个小球同时下落，一个做平抛运动，一个做自由落体运动，从背景方格纸可以看出他们在下落的整个过程中几乎都在同一水平线上，最后同时落地。整个实验过程用数码相机拍下，学生观察实物演示后，再让学生直接观察录像，然后对录像片的“慢放”分析，启发学生分析并让学生自己总结出平抛运动在竖直方向是自由落体运动。以下（图4——6）是录像片慢放时的几个镜头。
图4 图5 图6
3．演示、拍摄、播放平抛运动竖直方向是水平匀速直线运动：取两个一样的的小球，一个放在装置左上角斜槽的离水平末段端某一高度用磁铁吸住，另一个放在装置左下角相同斜槽离水平末段相同的高度用磁铁吸住。用开关控制让两个小球同时下落，一个做平抛运动，一个做近视匀速直线运动，从背景方格纸可以看出他们在运动的整个过程中几乎都在同一竖直线上，最后同时到达右边小网袋。整个实验过程用数码相机拍下，学生观察实物演示后，再让学生直接观察录像，然后对录像片的“慢放”分析，启发学生分析并让学生自己总结出平抛运动在水平方向是匀速直线运动。以下（图7——10）是录像片慢放时的几个镜头。
图7 图8
图9 图10
利用数码相机进行拍摄时要注意以下几点：
1. 拍摄时光源既为摄像配光也要有利于学生观察实验，可用日光色高频电子镇流高效节能灯或更大功率得白炽灯，特殊部位得照明有时需要小功率白炽射灯。所有光源均应配装合适得灯罩，以防光线直射数码相机镜头或学生得眼睛。
2. 用数码相机拍摄小球得运动过程，要注意背景和小球之间的反差要大，拍摄时可直接安装在蛇形管或可调照明灯支架上或用三角架，保证相机静止不动。
二、利用数码相机的“多段”的神奇拍摄功能来拍摄、分析平抛运动实验。
所谓“多段”的神奇拍摄模式，具体地说，就是能够在0.5秒内连续拍摄16幅照片，即每隔三十分之一秒拍摄一幅照片，这是极为难得的功能（中、高档的数码相机如型号为SONY-T1索尼相机就有）。只不过在这种拍摄模式下，图片的质量要有所下降，500万象素的照相机，此时每幅照片的象素仅为10万左右（这也是专业数码相机不设这一功能的原因），但对于我们中学物理实验来说，这已经足够了。如图11就是用这一拍摄模式拍摄的平抛运动的照片。而图12是利用Photoshop软件将多个影像合成为同一幅照片后得到的结果，引导学生经数据分析证明，水平方向是匀速运动，竖直方向是匀变速运动，而且可以测出其加速度约为9.7m/s2。
在具体拍摄过程中要注意以下几点。
1、拍摄时间间隔可以选择，如笔者的SONY-T1就有每秒30幅、15幅和7.5幅三种选择，但无论哪一种，每一次都只能连续拍摄16幅照片，因而每一种所能连续拍摄的时间是不一样的，其中每秒30幅能持续拍摄0.5秒，每秒15幅能持续拍摄1秒，每秒7.5幅能持续拍摄2秒，由于能持续拍摄的时间都很短，所以都必须注意拍摄时机的把握，好在数码相机不需要胶片，不行就重新拍。也有部分相机能持续拍摄很长时间，那就更好了。
3、由于拍摄对象是运动物体，所以如果快门速度太慢，拍摄得到的影像就会出现模糊现象，这时需要提高快门速度。当然很多数码相机都是傻瓜照相机，不能进行光圈快门的控制，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。
4．这种“多段”的神奇拍摄功能也可以配合视频投影系统进行实拍实放，更加具有真实感。
从《平抛物体的运动》一课教学过程的实际效果来看，引入数码相机的摄像功能和“多段”的神奇拍摄功能演示、分析实验为该课的课堂教学创造了更加形象、直观的教学效果，能够吸引学生认知物理知识的浓厚兴趣，对所学知识留有深刻的印象。
数码相机的“多段”的神奇拍摄功能除了在研究平抛运动以外，还可以研究自由落体运动、简谐运动、动量守恒等高速运动的物体. 其中研究动量守恒的实验中，如果物体碰撞后出现反向运动，就很难用频闪摄影来完成了，因为往复运动会使多个影像在同一底片上进行复杂的叠加从而难以辨认，而使用这种“多段”的神奇拍摄功能模式拍摄的照片就不存在这一问题，因为它是连续拍摄多幅照片的。
而数码相机的视频拍摄除了拍摄高速运动物体之外，也用它来拍摄暗环境下干涉、衍射条纹以及示波器波形摄像甚至进行显微镜视场摄像，如在 “布朗运动”演示实验中，将带有摄像功能的数码照相机调试完后与光学通道对接插入立体显微镜摄影接口上，或拔除一个观察目镜插入目镜筒内，将数码相机的信号输出端用屏蔽导线连接到一台大屏幕电视机上，或者连接到视频投影仪上。这样，在大屏幕电视或投影银幕上就可以看到“布朗运动”的大幅画面——大量的黄广告色悬浮颗粒一直做无规律运动。课堂上，同学们在老师指导下，认真观察、分析这些画面，记录某一颗粒在不同时刻的运动轨迹，进行热烈的讨论，加深对布朗运动实质的理解，所有这一切仅用几分钟就完成了，既节省了时间，亦取得了很好的教学效果。
数码相机的摄像功能和“多段”的神奇拍摄功能除了实拍实放外，还可以将拍摄的内容通过视频采集卡采集到计算机中，利用非线性编辑软件Premeiere 6.0编辑成视频文件，再用投影仪投放到银幕上，适合做课堂演示，效果非常好。
总之，在课堂教学演示实验中引入数码相机，使课堂演示实验更加丰富多彩，有效弥补了物理课堂教学中在某些实验方面的缺陷，比用计算机直接模拟的方法更具有真实、直观的特点。因此数码相机的引入是物理课堂教学改革中教学手段的一项创新，将对教育改革和发展起到积极的推动作用。
参考文献：
1. 钱汝兰 物理教学演示的视频拍摄 物理教学探讨 2004,第8期
2. 张 杰 牟其善 多媒体技术在频闪照像法实验中的应用 物理实验 2004,第12期
Ⅱ 将如图所示装置放在光照充足、温度适宜的环境中，观察并分析实验现象，能得出的结论是（）A．实验后
由于甲和丁瓶中都是密闭的，而且小球藻产生的氧气无法进入甲和丁瓶内，所以实验后期甲瓶和丁瓶中的生物都只进行厌氧呼吸，A正确；
B、小球藻光合作用的产物有氧气、葡萄糖和水，呼吸作用的产物有二氧化碳和水，所以光合作用的产物中没有二氧化碳，B错误；
C、由于甲瓶中酵母菌的无氧呼吸会产生二氧化碳作为小球藻光合作用的原料，丁瓶中乳酸菌无氧呼吸不产生二氧化碳，所以乙管中小球藻比丙试管中小球藻的光合速率要高，C错误；
D、本实验无法得出“小球藻产生O2和酵母菌产生CO2均在生物膜上进行”这样的结论，D错误．
故选：A．
Ⅲ 七年级科学 实验需要适当的...
摘要：
生物科学是一门实验科学，生物课程中的科学探究实验不仅能够促进学习方式的改变，体验科学过程和科学方法，更主要的是培养学生的创新精神。探究实验设计的一般过程大致包括提出问题 作出假设 制定计划 实施计划 得出结论 表达和交流六个环节。设计探究实验应遵循实验材料和用具得当、单因子变量、随机性、平行重复和设立对照几个原则。提升探究实验设计能力的途径主要有开展讲座、经典实验学习、实验设计训练和实验方案交流等多种形式。
关键词：探究 对照 变量
生物科学是一门实验科学，生物课程中的科学探究实验是学生积极主动的获取生物科学知识，领悟科学研究方法而进行的各种活动。学生能够学会做科学探究实验，不仅能够促进学习方式的改变，体验科学过程和科学方法，也能使学生形成一定的科学探究能力和科学态度与价值观，更主要的是培养学生的创新精神。
《新课标》特别强调研究性学习，注重学生科学探究能力的培养，在教材的设计和编排上体现了这种教学理念。仅山东济南出版社出版的七年级上册《生物学》教科书上科学探究活动九个。下面我就谈谈自己如何在教学过程中如何训练学生设计生物探究实验的。
一、探究实验设计的一般过程
1、提出问题 ：
在仔细观察的基础上提出你要探究的问题或研究的课题
2、作出假设：是指根据生活经验和已知的科学原理对发现的问题通过创造思维而作出的假定性的结论。
3、制定计划：选择合理的实验工具和适宜的实验材料，确定科学的实验方法和实验步骤准备对提出的问题进行探究和验证。
4、实施计划：包括实验的操作和观测、实验的记录、实验数据的分析和整理等等。
5、分析结果，得出结论
6、表达和交流 写出实验报告进行汇报和交流。制定改进措施和进一步的探究。
二、设计探究实验遵循原则
在探究实验设计时，除了要对所设计的实验有一个整体设想，有一条清晰的思路和注意操作的可行性外，还要注意以下基本原则：
1、实验材料和用具得当的原则
实验材料和用具可以较方便的获得；实验材料要有稳定的生物学特性，材料数量足够，用量合理。例如：我们在探究面包虫选择生活环境的行为时，用一只面包虫是不行的，要用10只左右的面包虫，以防止一只生活力下降，出现意外，以至于实验不能正常进行。
2、 单因子变量原则
实验必须尽可能的消除能扰乱实验者对实验因子进行正确观察的无关因子。在一个实验中至少有一个实验因子和若干个受控制的因子，实验者的任务是有意识的支配实验因子，同时控制其余的因子，使之稳定不变，以消除这些受控制的因子对实验可能引起的影响。即控制其它因素不变，而只改变其中一个因素，观察其对实验结果的影响。例如探究光照对蚯蚓生活的影响中，只能设置光照不同这一个实验变量，其他的实验变量如温度、土壤的湿度和土壤类型等必须相同。
3、随机性原则：被研究的样本是从总体中任意抽取得。这样做的意义在于：一是减少和消除系统误差；二是平衡各种条件，避免实验结果的误差。…..
4、平行重复原则
平行重复原则，即控制某种因素的变化幅度，在同样条件下重复实验，观察其对实验结果影响的程度。任何实验都必须能够重复，这是具有科学性的标志。上述随机性原则虽然要求随机抽取样本，这能够在相当大的程度上抵消非处理因素所造成的偏差，但不能消除它的全部影响。平行重复的原则就是为解决这个问题而提出的。在实验设计中，为了避免实验结果的偶然性，必须对所做的实验进行足够次数的重复，不能只进行1~2次便得出结论。例如：测定一个人的反应速度时，有必要重复几次，求平均值，最后才能得出某人真实的反应速度。
5、 设立对照原则
对照的目的在于消除无关变量对实验结果的影响。实验对照原则是设计和实施实验的准则之一。通过设置实验对照，又排除无关变量的影响，又可增加实验结果的可信度和说服力。按对照的内容和形式上的不同，通常有以下对照类型。
A、空白对照--空白对照是指不做任何处理的对象组。
B、条件对照 --条件对照是指给对象施以某种实验处理， 但这种处理是作为对照意义的。
例如：设计甲状腺激素能促进蝌蚪的生长发育的实验：将15条同时孵化的同种蝌蚪（体长均为15），随机分为3组（每组5条），在相同水质、饲料、温度条件下饲养。A组加入甲状腺激素，B组加入甲状腺抑制剂，C组不加任何药物。在饲养和实验的10—12 天中，按时用标尺测量并观察蝌蚪的生长变化情况。
在这个实验设计中，A组为实验组，B、C为对照组，其中，B组为条件对照，C组为空白对照。通过条件对照、空白对照的设置，更能充分说明实验因子——甲状腺激素能促进蝌蚪的发育
C、相互对照---相互对照是指不另设对照组，而是几个实验组相互比较。
例如：在探究种子萌发的外界条件时，把几组实验组合在一起，此为相互对照如图示：
D、自身对照 --- 自身对照也是不另设对照组，实验组与对照组放在同一对象上进行
三、提升探究实验设计能力的途径
1、开展讲座，进行理论指导。有关实验设计的知识可以通过专题讲座的形式进行。主要让学生了解实验设计的一般过程和实验设计的基本原则，探究实验设计的一般方法，实验条件条件的控制方法，实验结果的显示方法等
例如：1）实验条件的控制方法主要有：
增加水中氧气——增加水生植物、通氧气； 除去容器中的CO2——NaOH
血液抗凝——加柠檬酸； 除去叶中原有的淀粉_______暗处理
除去叶中叶绿素——脱色处理； 除去光合对呼吸的干扰——遮光 等
2）实验结果的显示方法主要有：
光合速度——CO2吸收量； 呼吸速度——O2消耗量
原子途径——同位素示踪； 细胞液浓度大小——质壁分离和复原
细胞是否死亡——质壁分离的复原 ；甲状腺激素作用——饲喂法
生长素作用——向光性； 胰岛素作用——切除、移植胰腺 等等
3）化学物质的检测方法主要有:
淀粉————碘液； 麦芽糖———斐林试剂；
CO2————通入澄清的石灰水；乳酸———石蕊试剂；
O2 ————熄灭、复燃； 蛋白质——双缩脲反应等
2、 学习经典实验，充分发挥书本应典实验的示范作用，使学生学会实验设计的一般方法。例如通过分析生长素的发现历程和孟德尔遗传规律的揭示过程使学生了解实验设计的基本方法和步骤；分析巴斯德实验，使学生学会了控制实验条件；剖析“唾液淀粉酶对淀粉的消化作用”实验，帮助学生掌握设立多因子变量方法等等。
3、强化训练，培养实验设计能力。
“实践出真知”，学习的目的在于应用，只有将实验设计的理论知识应用于实践，才能形成相应的技能，真正学会设计实验。在明确了实验设计的基本原则和思路之后，一定数量的设计练习是必要的。
途径一：课本实验拓展 把课本中实验的灵活地改变实验的某个条件，让学生模仿课本实验的程序进行简单的实验设计，使学生从中获得成功感，增强对实验设计的兴趣；同时在“模仿”的过程中训练学生实验设计的思维方式，使学生初步形成实验设计的思路。例如根据“唾液淀粉酶对淀粉的消化作用”一个课本实验，可以向外拓展为唾液淀粉酶在不同温度、不同的酸碱度，不同的咀嚼搅拌程度下是否能够消化淀粉三组课外探究实验。
途径二：补充完善实验方案 如果让学生一开始独立设计完整的探究实验肯定会有一定的难度，教师可以设计好一个不完整的探究实验，遗漏中间重要的设计环节，让学生补充完整，这样由点及面，由局部到整体，循序渐进，逐渐学会设计实验的技巧。
途径三：实验方案纠错 对于一个探究实验，教师给出多个设计发案，科学与错误都有，让学生辨别分析正误，并说明原因，以此来训练设计能力。例如：在探究光照对蚯蚓生活的影响中，我设计了三个实验装置：A是土壤类型、湿度均相同，仅光照不同；B是土壤类型相同，但湿度和光照均不同；C是温度和湿度相同，但土壤类型和光照不同。学生分析说明那个实验装置是合理的。由此学生学会设计对照实验，明单一实验变量的设计方法。
途径四：采取开展兴趣小组、观看实验录象等多种形式，争取家长配合、学校领导支持，从而多购买实验材料，进行经济援助等多种途径，创造一切条件多做实验，达到学生实验设计能力提高的目的。
4、学生实验设计方案进行交流，提高实验设计能力
由于实验设计题具有开放性的特点，再加上每个学生自己独特的思考方法和不同的解决问题的途径，设计水平高低不同，设计的方案是多种多样的。所以，在进行了一定数量的设计训练后，教师要及时给予点拨或引导学生交流设计成果，总结出生物实验设计方案的基本思路和评价标准(科学合理、设计简捷、效果明显等)，从而使学生巩固实验设计方法，提高实验设计的能力。另外，通过学生对实验设计方案的讨论，可以互相取长补短，完善设计方案，丰富设计内容。同学的启示和教师的点拨丰富了设计的思路，启迪了思维，通过交流点拨使每个同学对问题的理解更加全面和深入，实验设计能力从本质上得到了很大的提高。
三、实验设计的实例分析
探究光对鼠妇生活的影响
提出问题：光会影响鼠妇的生活吗？
作出假设：鼠妇生活在阴暗的环境中，光会影响鼠妇的生活。
假设的依据是：根据生活经验，在砖头、石块底下能够找到鼠妇，在明亮的地方哪没有。
制定计划：
材料用具：每个小组10只生理状况相同的鼠妇、湿土、铁盘、不透光的纸板、玻璃板、镊子等
（ 体现材料和实验用具得当的原则）
实验装置：
如图示：在铁盘内放上一层湿土，以横轴中线为界，
一侧盖上不透光的纸板，一侧盖上玻璃板，设计具有
明显区别的阴暗和明亮两中实验环境。（设置对照实验）
3、设计观察记录表
时间（分钟）
实验环境
统记数据（个）
1
2
3
4
5
…
10
阴暗
明亮
实施计划：
1、选择合作伙伴组成探究小组，全班分成8-10组进行实验
2、在两种实验装置的中央放置等量的鼠妇。
3、静置4-5分钟以后，每隔一分钟统计一次鼠妇在两种环境的个体数量。统计10次。填入观察记录表中。
得出结论：处理和分析数据，得出实验结论
计算全班同学各组的平均值（体现平行重复的原则）
组别
环境
1
2
3
…
10
平均值
阴暗
明亮
结论：鼠妇喜欢生活在阴暗的环境中。
表达和交流：各小组交流探究过程和结论。结论不一致，分析原因。修改完善计划，进一步探究。
四 、设计探究实验应注意的事项
1、准确把握实验目的，即需要探究的生物学事实。实验目的是整个实验设计的灵魂，所有实验步骤的设计都要围绕实验目的来进行。
2、恰当选择实验对象或实验材料，选择最能体现此生物学事实的具体对象，如细胞、组织、器官或生物个体；选择的实验材料同质性：即同一生长发育期，遗传物质、体征和生活环境相同。
3、精心策划实验方法。实验方法的策划是整个实验设计的精髓，是一个好的实验设计最富创意的闪光点，也是搞好实验设计的关健所在。
4、准确设置对照组实验，控制和消除无关变量对实验结果的影响。基本的实验方法选定后，紧接着设计具体的操作细节，如何设置对照实验，这由于实验设计题常常开放度较大，设计的实验步骤甚至在方法上可能不统一，但只要是科学的、合理的、可行的，都应给予认可。）
5、细心注意对实验条件、材料用具和装置的理化条件和生物学方法处理后，认真研究实验装置设计的严密性和合理性；
6、仔细观察实验现象，要真实、准确、详细记录实验结果，只考虑单一实验变量对结果的影响；实验现象应该是具有可描述性的。
7、认真分析原因，全面讨论结果，无论实验成功与否都要分析原因，对实验要进行多角度、全方位的分析讨论。修改完善实验方案，制定改进的措施，以便进行进一步的探究。
总之, 要真正让学生学会设计探究实验，不仅要有丰富的理论知识，但最关键的是让学生亲自操作实验，在体验的过程中积累经验，从做中学，让学生历经科学活动，接受过程锻炼，这对于学生提高实验设计水平，进行学习方式的改革，和培养创新意识是非常重要的。同时，指导学生设计实验的方法和技巧需要在教学实践中不断完善和提高。
Ⅳ 回顾实验和探究：（将下列实验报告中的空缺部分填写完整）（1）探究杠杆的平衡条件： 准备 实验前调节
（1）在实验时，为了便于直接从杠杆上读出力臂，调节杠杆在水平位置平衡；图中左边为2G×4L=8GL，因此右边钩码为4G×2L=8GL；所以杠杆平衡条件是：
动力×动力臂=阻力×阻力臂．
（2）①根据采用控制变量法，要使小车在水平面上具有相同的初速度，可以让小车从斜面的同一高度滑下．
据小车滑行距离的远近可知：平面越光滑，小车运动的距离越远．
②小车受到的阻力越小，小车速度减小的越慢；进一步推理：如果运动的物体不受任何力的作用时，将做匀速直线运动．
③本实验用到的研究方法有控制变量法和转换法．
利用此装置还可以探究动能和速度的关系；可以得出结论：物体质量一定，速度越大，动能越大．
故答案为：（1）水平；4；动力×动力臂=阻力×阻力臂；（2）同一高度；距离；匀速直线；控制变量；动能和速度；物体质量一定，速度越大，动能越大．