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实践与技术篇

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。

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：
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。
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。
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。
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。
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SEQ表\*ARABIC1-1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。

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。

频闪图