用手机拍照探究自由落体运动的规律(自创实验)

小李伟大物理2020-11-20 13:48:04

用手机拍照探究自由落体运动的规律(自创实验)

教师姓名:李伟         学校名称:云南省玉溪第一中学

一、使用教材:

人民教育出版社,高中物理必修一

二、实验器材:

普通智能手机(下载软件camera FV-5),银色钢球,9V小型电动机,遮光转盘,学生电源,自制米尺,黑色背景板,沙盘(用来防止小球弹起影响实验效果),光电计时器及光电门,电磁铁,开关及导线若干;


三、实验改进要点:

普通人教版高中物理必修一中钩码的自由落体运动最终通过打点计时器在纸带上相邻相同时间间隔的点迹来进行分析。也可以用频闪相机或者相机连拍多张照片,然后将这些照片有ps合成在一起的方法来研究自由落体运动的规律。本实验要将三个实验方法的优点结合在一起,让它既可以像打点计时器直接有效一次性的记录它的位置,同时也像相机一样直接直观的记录物体的图像。让它直接可以看到球在相同时间间隔下的落点位置,清楚的看到自由落体运动的规律。

四、实验原理:

1.调长相机的曝光时间,可以让曝光时间内的所有图像显示在一张照片上面,就像纸带打出的点迹打在同一条纸带上面,一样。但是如果没有遮光转盘,钢球的图像会连成一条线。

2.遮光转盘,就像我们的打点计时器的顶针相邻相同时间间隔内打一点一样,只会显示相邻相同时间间隔内见光时的多个图样。马达带动遮光转盘后,遮光时间部分相机无法捕捉到图样,每个见光的一瞬间记录一个图样。

3.将手机镜头放在遮光转盘前,在按下相机快门之后,静止释放钢球,在曝光时间内相机就会将转盘见光部分相邻相同时间间隔内的多个钢球图样显示在同一张照片上面。

4.通过照片上图像数据处理就可以用匀变速直线运动的规律判断自由落体运动是否为匀加速直线运动,并且求出重力加速度;

五、实验教学目标:

知识与技能

1.会运用已学知识处理照片,求各位置瞬时速度;

2.会用表格法处理数据,并合理猜想;

3.巧用v-t图象处理数据,观察规律;

4.会利用图像法和逐差法求解重力加速度,并且了解自由落体运动是匀变速直线运动;

过程与方法

1.初步学习根据实验要求设计实验,完成某种规律的探究方法;

2.初步学会根据实验数据进行猜测探究、发现规律的探究方法;

3.认识数学化繁为简的工具作用,直观地运用物理图象展现规律,验证规律;

情感、态度价值观

1.通过对照片的实验数据处理,培养学生实事求是的科学态度,能使学生灵活地运用科学方法来研究问题、解决问题、提高创新意识;

2.在对实验数据的猜测过程中,提高学生合作探究能力;

3.通过经历实验探索过程,体验运动规律探索的方法。

六、实验教学内容:

探究自由落体运动的规律,认识到自由落体运动是一个初速度为零的匀加速直线运动,其加速度等于重力加速度。

七、实验教学过程:

(一)引入新课:

我们已经学习了用打点计时器研究匀变速直线运动的规律,课本上还给我们介绍了可以用频闪相机的方法来研究,或者有普通相机连拍之后,将它们合成的办法来研究,那么同学们,我们是否可以用手机拍出频闪相机拍出的照片效果呢?

(二)开始授新课:

我们知道普通的相机长曝光之后,会拍出飞火流星的效果,因为相机可以将在曝光时间内的所有图样重叠在一起,假如我们可以将这些图样按照相邻相同时间间隔出现,那么就可以和打点计时器一样将自由落体运动的物体在同一张照片里记录他们相邻相同时间间隔内的位置,进而可以研究自由落体运动的规律。

①让学生自己设计好实验,并口头阐述相关实验器材及步骤。

设计提问:

问题一:如何让手机照相在相邻相同时间间隔内记录图样呢?

(引导:只需要在曝光时间内进行相邻相同时间间隔内遮光和见光,遮光时无图样,见光时记录图样)

问题二:你所设计的实验需要哪些实验器材、实验步骤?

步骤:

 


1.安装实验器材如图所示:

将智能手机固定在支架上,并将曝光时间调成1秒,带有遮光转盘的马达用支架固定在相机镜头前面,带有刻度尺的黑色背景放在镜头前一定位置处;

2.闭合电磁铁开关,让电磁铁吸住钢球,静止在距离地面1.5米刻度尺刻度为零处;

3.打开电动机让遮光转盘转动起来达到稳定状态。

4.打开光电计时器,功能调到s1档开始计时;

5.2号同学将手机镜头放置在遮光转盘前,按下相机快门之后1号同学马上断开电磁铁开关释放钢球。

6.停止光电计时器计时功能,记录遮光时间。

7.多次重复实验步骤2-6,挑选优质照片。

②引导学生熟练地摆好器材,进行合理、准确地操作,得到一张刻度清晰图又明显的照片(如图示)。



注意:引导学生“三思而后行”,注意实验逻辑性、合理性及其相关注意事项,而确保准确,并巡视全场,对出现的问题予以及时纠正。

③处理照片上的实验数据。

问题三:如何计算出各位置球的速度?

用求平均速度的方法来代替(用计算较准确的平均速度来代替),如何代替?(选择包括该点在内的一段位移(该点最好处在中间时刻位置)Δx,找出对应的时间Δt,用Δx/Δt作为该点的瞬时速度);

④数据处理,总结分析

问题四:如何通过处理照片信息探究自由落体运动的规律?

(引导:可以用照片上的数据信息计算各个时间间隔的平均速度列表来探究,可作V-t图像,也可用相连相同时间间隔内的位移差,判断自由落体运动是否为匀加速直线运动,并求出它的加速度)

1.列表法。(注意列表要求)

数据表格猜想出自由落体运动的变化规律:速度与时间成正比。鼓励学生大胆猜想,并一一列举学生的各种想法,了解学生猜想的原因,进行总结与点评,纠正盲目的瞎想。

学生在猜想中回答猜想原因,阐述猜想思路。

2.图象法:

①根据所得数据,选择合适的标度建立坐标系(让图象尽量分布在坐标系平面的大部分面积)。

②描点:观察和思考点的分布规律。

③拟合:从点的分布可以有很大把握地说这些点应该在一条直线上,用直线拟合,让尽可能多的点处在直线上,不在直线上的点应对称地分布在直线两侧。

引导描点法一般原则,强调作图的精确性,培养严谨的科学态度。

步骤方法:先确定标度,再准确描点,并用平滑的曲线进行连接。总结介绍:

描点法是作图的一种最基本的方法,最重点的两点:一是准确性(标度要合适)。二是要用平滑曲线连接(要让尽可能多的点分布在线上,不在线上的点分布在两侧,离线较远的点删去)。。

问题五:如何根据实验数据求自由落体运动的加速度?

①计算v-t图像的斜率,

②利用相邻相同时间间隔内的位移差公式求解;

数据处理如下两图:


问题六:本实验实验结论?

自由落体运动是一个初速度为零的匀加速直线运动,其加速度等于重力加速度。

问题七:为了减小实验误差,本实验特别要注意哪些事项?

1.遮光转盘黑色为佳,见光部分要尽量小,并且不能忽略见光部分时间,时间间隔需要按遮光时间与见光时间的比例换算出总的时间间隔;

2.马达转速要稳定,转速的快慢和手机是否稳定以及是否对焦影响照片效果。

3.位置坐标要由钢球的球心来确定。

4.背景板最好为黑色,并且放置在照相机刚好可以把整张照片发下来的位置。

5.先按快门,再迅速释放钢球。

6.注意光照条件以及拍摄技巧。

(三)课外实践:

1.【计算机绘制v-t图象】Excel软件演示作v-t

将实验所得数据在电脑的Excel文件中输入表格,利用其“图表向导”拟合v-t图象。

2.用手机和手机电风扇,拍摄照片探究自由落体运动的规律。

八、实验效果评价:

本实验最终的实验效果比预期的要好,误差也比较小,有以下几点遗憾:

1.最终用手机拍出的照片清晰度不如专业相机;

2.小球初速度不一定为零,因为见光的一瞬间不一定恰好是释放的瞬间;

3.只要是仪器足够稳定,我相信本实验具有和打点计时器一样的适用性,而且比打点计时器打出的纸带更加直接,更加震撼,更加贴近生活,更加具有科技感。