利用手机相机功能验证微小形变

黄治海

(常州市第三中学 江苏 常州 213000)

微小形变的演示实验可以直观地呈现出弹力的作用效果，为认识微小形变提供感性素材，可加深对弹力产生条件需要发生弹性形变的认识.肉眼一般无法直接观察到微小形变，实验上利用放大思想，将微小形变转化成肉眼能观察到的信号，传统方式有：液柱变化法，带细管的装满水的封闭玻璃扁瓶，通过按压扁瓶不同部位，可发现细管中的液面上升或下降；激光反射法，当桌面在外力作用下发生形变时，激光笔发射出的激光通过平面镜两次反射，光点在接收屏的位置会发生明显移动.由于准备和操作较为困难，传统演示效果难达到直观、清晰地效果.笔者利用同屏技术和手机相机功能，能将水平桌面的微小形变直观、清晰地让教室里每位同学都能观察到，解决了传统演示方式的不足，同时此方式还具有成本低、易操作等优点，有较高地推广价值.此创新实验设计获得笔者所在市区创新实验大赛一等奖.

1 灵感来源

生活中用手机拍摄远处物体，很难获得较清晰的画面，分析其原因不难发现，拍摄时手持手机难免会有微小的抖动，此时手机相机放大倍数很大，易导致手机屏中画面有明显的移动.反之，若将手机放置在水平桌面上，放大数倍的手机摄像头对准远处的参考点，若参考点位置在手机屏中有明显的移动，可反映出手机位置处桌面发生了微小形变.

要将手机屏上的画面“放大”，需借助同屏技术将手机屏画面同步到投影屏上，便于教室里所有同学观察.何为同屏技术？简言之，在同一局域网中，将手机屏实时同步到电脑屏上，进而同步到投影屏上，实现3屏同屏.同屏技术可将手机变成微型移动展台，教室里的学生可通过投影屏实时地、直观地看到手机屏中的画面.

2 实验操作及结果

具体操作步骤如下：

(1)笔者利用Total Control软件实现同屏技术[1]，让手机、电脑、投影屏3屏同屏；

(2)如图1所示，实物装置图，摆放好手机和粉笔盒，调节手机相机放大倍率至最大，并调整手机和粉笔盒的位置，使“静”字处在手机屏适中的位置；

图1 验证桌面微小形变实物装置图

(3)如图2(b)所示，用力按压手机前的桌面，手机会向前微小倾斜，对准位置从O点下移至A1点，观察“静”字在手机屏中是向上还是向下移动；

(4)如图2(c)所示，用力按压手机后的桌面，手机会向后微小倾斜，对准位置从O点上移至A2点，观察“静”字在手机屏中是向上还是向下移动.

图2 验证桌面微小形变的原理图

未按压桌面的手机屏中“静”字如图3(a)所示.当按压下手机前面的桌面时，可知手机对准位置下移，而手机屏、电脑屏中的“静”字会上移少许，具体效果如图3(b)所示.当按压下手机后面的桌面时，可知手机对准位置上移，而手机屏、电脑屏中的“静”字会下移少许，具体效果如图3(c)所示.

图3 未按压、前面按压、后面按压

同屏技术可实现手机屏、电脑屏、投影屏画面实时同步，最终在投影屏上将“静”字上下移动过程清晰地呈现出来，便于教室里所有同学获取微小形变的感性认知，进而确定，下压桌面时会使桌面发生下凹的微小形变.

3 实验改进

实验操作过程中，遇到以下两个问题：一是,手机侧边圆滑，无法直接立在桌面上；二是，从图3可看出，硬质桌面的形变信号并不太明显，能否有更明显的形变信号呢？

问题一的解决方案：如图4(a)用两个长尾夹从侧面分别夹住手机，即可立于桌面上.不管是何种侧边形状的手机，都可采用此方式来固定手机，可完美地解决不同手机类型固定的问题.

问题二的解决方案：两手机结合，前后放大两次.具体思路为，用手机拍摄参考“静”字，放大一次，另用一手机拍摄前一手机屏中的“静”字，再放大一次，实现两次放大.如图4(a)所示，将手机竖立在水平桌面上，打开手机相机并调节到最大放大倍数(6倍)，这是第一次放大，可将整个“静”字显示出来；再将另一个手机竖立且调节相机倍率至最大(5倍)，靠近并对准前面手机的屏幕，这是第二次放大，不再显示整个“静”字，显示静字的部分笔画.

图4 二级放大实物图及未按压、前面按压

连接好仪器后，按压手机前面桌面，前面手机屏中的画面有不太明显的上移，后面手机屏中的画面有较明显的上移，具体效果如图4(b)、(c) 所示.实验时，利用手机同屏技术，可将手机画面动态变化过程呈现在投影屏上，直观地视觉体验让学生感受到了物理实验的魅力.

4 总结展望

本实验灵感来源于手机拍摄远景不清晰现象，发现了手机相机放大功能，可验证放置手机的水平桌面的微小形变，并利用同屏技术将微小形变的“放大”信号动态地呈现在投影屏上，便于教室里每位同学观察.本实验具有以下几个优点：

(1)符合刘炳昇教授“瓶瓶罐罐做物理实验”的理念.该理念要求原理简单，学生易于理解，实验器材来源生活，制作难度小，实验操作简单，效果明显，用小而简单的实验解决大问题、复杂问题，达到四两拨千斤的效果.如此，实验可更加贴近学生、更易于接受，更具有亲和力.

(2)信息技术融入实验教学，成本低、易推广.本实验中，手机不可或缺，间接反映桌面微小形变，实现了信息技术与实验深度融合.本实验中所利用的同屏技术借助免费APP,同一局域网通过移动手机4G热点搭建，无需耗费流量，不用增加经济成本.如今社会，智能手机几乎人手一部，且都能熟练操作，使用无需培训学习，教师学习成本很低，因此手机融入实验教学具有成本低、易推广等接地气的特点.

(3)能解决“放大”教室硬质讲台桌面微小形变的真问题.真问题的提出，激发了学生参与课堂思考的积极性，学生提出了“侧边圆滑的手机如何站立”“如何使放大信号更明显”等实际问题，通过课后师生的交流讨论、不断地尝试，找到了用长尾夹固定手机、二级放大形变信号的解决方案，将物理学习自动延伸到实际问题研究当中，大大激发了学生学习物理的热情.

笔者在实践过程中，发现还有些问题有待进一步研究讨论.选取怎样的参照物，可以使放大信号更加明显，便于学生观察？不同手机的选取以及前后位置不同，是否会影响实验效果？