瞬时速度视频测量技术实现和实验开发,本论文可用于测量论文范文参考下载，测量相关论文写作参考研究。
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瞬时速度是高中物理中一个非常抽象的概念,教材中对它的表述涉及到了极限思想,其中蕴藏着巨大的智力价值.这一教学的关键就是做好瞬时速度演示实验,在具体的实验中展示出瞬时速度就是平均速度v等于ΔxΔt中Δt趋向于零时v的值.在中学物理课堂中上,采用较多的是气垫导轨和光电门进行演示“瞬时速度”,通过逐步减小Δx展示时间间隔Δt趋向于零的过程.然而该实验主要仍有以下两方面的不足：
（1）实验误差大.当挡光片宽度减小到一定程度时,受气垫导轨中不稳定气流等因素的影响,会产生一定的误差.
（2）实验准备难.一些条件差的学校不一定会置办气垫导轨.即使有仪器,将其搬至教室也很费力.
为了最大化发挥实验在物理课堂中的作用,本文提出了一个新的方案——在视频中测量瞬时速度,简便而又能满足教学要求,还可从中衍生出一系列拓展实验,发展许多重要的课程资源.
1 设计原理和实现
当每秒连续的图像变化在24帧画面以上时,画面看上去会是平滑连续的,这就是视频.视频的拍摄过程则和视频放映相反,是由摄影设备每秒拍摄数十帧照片,然后整合成视频.通过摄像机捕捉物体运动图像,将运动过程以多媒体视频形式导出至计算机,就可以在视频中分析运动规律.
对运动过程的分析,最重要的是获取时间及位移的信息.若摄像机录制视频时每秒拍摄的帧数为n帧,便可以知道每帧之间的时间间隔为1/n秒.而每一帧又都是一个静态的图像,图像中恰恰记录了物体在这个时刻所处的位置.若能在拍摄时让物体沿着一根合适的刻度尺运动,那么每隔1/n秒的位置信息就可以从视频中读取,如图1所示.
运动的时间信息可以通过一个普通的*获取,如迅雷看看（上图）.通过*上的时间条,我们可以定位到任何时刻.然而时间条上的时间最小只能显示至秒,为了精确提取时间信息,还需要用到视频*中自带的视屏截取功能.右键单击视频图像,选择“视频截取”即可开启视频截取模式.该模式后,时间条可显示至10-3秒,基本满足我们的需求（见图2）.
拖动时间条至相应位置,从*右下角可以直接获得小球在该位置的时刻t1.在位置的测量上,可以打开任意一个windows窗口,让窗口一边和视频中的小球相切,记录下窗口和刻度尺交点的读数,作为该时刻小球位置x1,如图2.为避免所录制视频中小球的影像模糊,实验环境应尽量明亮.
拖动时间条,或者单击微调键,至另一时刻t2,记录位置x2,即可测量测量出物体从t1时刻至t2时刻的平均速度v,即
规定式中[（t2-t1）×n]表示取最接近（t2-t1）×n的整数,n为视频每秒拍摄帧数.这是因为时间条所显示的时刻值略有误差,我们需要根据这个值计算所取两个时刻的相距帧数,再得出真实的时间间隔.
视频中可选取的最小时间间隔为录制视频时每帧之间的时间间隔.若以最常见的每秒30帧的模式录制视频,则最短时间间隔可取到1/30秒,和打点计时器两个点之间的时间间隔0.02秒已较为接近,可以满足测量需求.
2 瞬时速度视频测量的教学实验开发
2.1 教学开发一：课堂演示“瞬时速度”
录制物体沿倾斜刻度尺运动的视频并导出至计算机中,利用视频播放软件定位到某两帧并记录各自时刻和位置值,可测得小球在这两帧的时间内的平均速度.逐步减小所选取的两帧之间的时间间隔,直至最小,在此过程中展示平均速度的变化情况,可得平均速度将趋向于某个固定值,可课堂模拟“瞬时速度”这一概念.
取一根合适刻度尺靠近墙面或其他板面并倾斜放置（或可直接将两块小磁铁固定在刻度尺两端,再吸于黑板上）,调节摄像机至合适位置,按下摄像机录制键,把小球放置于刻度尺顶端,让其沿刻度尺下滑.在小球下滑滚出轨道后停止录制,并将视频导出至计算机,即可进行实验分析.
本次实验记录数据如下（表1）：
所取的时间从初始的0.3秒减小至0.033秒时,速度v的大小变化、波动越来越小.若将结果保留两位小数,随着时间间隔的越来越小,v的值趋向于0.59 m/s.这就“模拟”出了瞬时速度这一极限的概念.
2.2 教学开发二：探究小球沿倾斜刻度尺下滑速度随时间变化规律
在人教版必修①课本上,有探究小车速度随时间变化规律这一实验,而这个实验也可以通过视频手段实现.
方法同瞬时速度演示实验,将所拍摄到的小球运动视频导出至计算机并用迅雷看看*打开,开启视频截取模式.由上述实验可知,当时间间隔非常小,仅为一两帧时,所测得平均速度可作为该时间间隔内任意一点的瞬时速度.为减小测量误差,可采用下图（图3）模式,依次测得5至8个速度值.
针对小球沿斜面下滑的视频,实验所测得每两个速度值所对应的时间间隔为拍摄2帧的时间,即1/15秒,测量结果v-t图象如下：
很明显,所描出的点大至都分布在一条直线上,小球运动的v-t图象是一条倾斜的直线.这就是小球沿倾斜刻度尺下滑速度随时间变化规律,也说明了小球是做匀变速直线运动.
2.3 教学开发三：验证匀变速直线运动位移随时间变化规律
根据2.2中的实验,小球沿倾斜刻度尺下滑可看作匀加速直线运动,故可以分析2.2中录制的视频,探索匀变速直线运动的位移和时间的关系.
打开视频,拖动时间条让小球一帧一帧地动,可大致看出每次的位置变化程度是越来越大的.同样通过视频影像中的刻度尺,可以定量测量匀变速直线运动物体的位移.选取右端一个合适的点为初始点,记为零时刻.拖动时间条,记录下每一帧小球的位置,算出位移,其时间间隔均为1/30秒.拟合图象,结果见图5.
在实验结果中,除去误差项,可以看出位移随时间变化规律为一条抛物线.这和匀变速直线运动位移随时间关系公式吻合,从实验角度验证了位移和时间的规律.
2.4 教学开发四：自由落体运动研究
将一米尺竖直放置并利用重锤校准,使之和小球下落轨迹相平行,这样就能准确的从视频中测量下落物体的位置.调整摄像机位置,让其能拍摄到刻度尺上约0.5米的区域（从起点开始）,见图6.
按下摄像机拍摄键,将小球由刻度尺顶端静止释放,把所拍摄的视频导出至计算机进行自由落体运动规律的分析.方法同2.2,测量每一帧小球瞬时速度,再将结果用v-t图象呈现.所测数据见图7.
从实验图象中可以看出自由落体运动是匀加速直线运动.本次实验测得重力加速度为9.78 m/s2,同纬度重力加速度理论值为9.794 m/s2,两者十分接近.同传统打点计时器实验相比较,利用多媒体视频研究自由落体运动规律结果更加精确；和频闪照相法相比较,又更加简便易用操作.
本文实现了在视频中测量瞬时速度的方法,并且开发了相应的拓展实验,发展出了重要的运动学课程资源,用于“瞬时速度”一课教学同时,还可在匀变速直线运动、自由落体运动等课程中得的应用,操作简单但内涵丰富,有很好的推广和应用价值.摄像机在某种程度上也可以算作一种“数据采集器”,可以记录一段过程,让其以多媒体的形式呈现在计算机中,将其应用于中学物理实验中,亦是实验信息化的过程.
结论：关于本文可作为测量方面的大学硕士与本科毕业论文测量员工资一般多少论文开题报告范文和职称论文论文写作参考文献下载。
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