德昌中學(xué)物理教師趙友明搞發(fā)明

2012年11月12日，《運(yùn)動(dòng)頻閃觀測儀》獲得第七屆國際發(fā)明展覽會發(fā)明金獎(jiǎng)。

獎(jiǎng)項(xiàng)：11月12日，第七屆國際發(fā)明展覽會在江蘇昆山國際會展中心成功落下帷幕，德昌中學(xué)趙友明老師的專利產(chǎn)品《運(yùn)動(dòng)頻閃觀測儀》在展會上榮獲金獎(jiǎng)，也是四川省獲得的唯一金獎(jiǎng)。

原理：利用普通相機(jī)長時(shí)間曝光拍攝，捕捉運(yùn)動(dòng)物體的軌跡，將“講實(shí)驗(yàn)”轉(zhuǎn)化為“做實(shí)驗(yàn)”，操作簡單，誤差小，直觀易懂。

影響：《運(yùn)動(dòng)頻閃觀測儀》進(jìn)入了《全國理科實(shí)驗(yàn)配備標(biāo)準(zhǔn)》，成為全國高中物理必配的演示實(shí)驗(yàn)之一。

參展歸來 斬獲最高榮譽(yù)11月29日上午，德昌中學(xué)物理教師趙友明與平常一樣，授課、輔導(dǎo)學(xué)生。不過，在平靜的外表下，趙友明心中有著一份期盼與憂慮，“我的專利發(fā)明廠家已經(jīng)在生產(chǎn)，成品就要出來了，不知道效果怎么樣，成品出來后會不會出現(xiàn)大量仿制品。”

趙友明期望與擔(dān)心的，正是今年在江蘇昆山進(jìn)行的第七屆國際發(fā)明展覽會上，榮獲金獎(jiǎng)的《運(yùn)動(dòng)頻閃觀測儀》。

德昌縣教育局一負(fù)責(zé)人介紹，第七屆國際發(fā)明展覽會是目前為止我國唯一的國際發(fā)明展。在展會上，共有來自亞洲、歐洲、非洲等30余個(gè)國家近4000個(gè)項(xiàng)目參與評選，經(jīng)過評選，趙友明老師的專利產(chǎn)品《運(yùn)動(dòng)頻閃觀測儀》獲得發(fā)明金獎(jiǎng)，這是此次活動(dòng)中四川省獲得的唯一金獎(jiǎng)。

講述實(shí)驗(yàn) 傳統(tǒng)設(shè)備不準(zhǔn)確不劃算“我從事物理教學(xué)工作21年了，在物理教學(xué)中許多實(shí)驗(yàn)需要進(jìn)行操作。”趙友明說，此前在教導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行力學(xué)實(shí)驗(yàn)中，測重力加速度等實(shí)驗(yàn)時(shí)，采用的實(shí)驗(yàn)儀器是打點(diǎn)計(jì)時(shí)器，“一根紙帶，一張復(fù)寫紙，儀器每0.02秒打印一下，物體落地后，紙帶上留下了一連串打印的痕跡，但是加上物體摩擦、有時(shí)復(fù)寫紙打印不出來等，會很大程度上影響實(shí)驗(yàn)的精確性。”

而除了打點(diǎn)計(jì)時(shí)器外，趙友明表示還有一種進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的方法，但是因?yàn)檫^于昂貴和復(fù)雜，很多學(xué)校都未采用，“用一臺大功率的頻閃設(shè)備不停閃爍，照射在運(yùn)動(dòng)體上，然后用專業(yè)的相機(jī)，捕捉每次頻閃后，運(yùn)動(dòng)物體所處的不同位置，然后將底片沖印成照片，再進(jìn)行軌跡分析和數(shù)據(jù)分析等，很復(fù)雜，而且能耗高，耗時(shí)長。”

“每當(dāng)做這些實(shí)驗(yàn)的時(shí)候，很多時(shí)間都是老師在‘講實(shí)驗(yàn)’，學(xué)生在‘聽實(shí)驗(yàn)’，根本不是親自實(shí)踐。”趙友明說。

靈感創(chuàng)作 想搞一個(gè)節(jié)能又方便的東西“2005年的時(shí)候，產(chǎn)生了這個(gè)想法，設(shè)計(jì)發(fā)明一套實(shí)驗(yàn)器材，既能操作簡單，又能讓學(xué)生直觀了解參與。”趙友明說，也就是讓學(xué)生從“聽實(shí)驗(yàn)”到真正地“做實(shí)驗(yàn)”。而當(dāng)時(shí)，國家也提出新課改，進(jìn)行物理實(shí)驗(yàn)與現(xiàn)代的教育技術(shù)相結(jié)合，“也就是充分利用電腦、相機(jī)等設(shè)備。”

在電子技術(shù)方面也頗有建樹的趙友明首先想到的實(shí)驗(yàn)器材，是基于專業(yè)相機(jī)基礎(chǔ)上的，而且僅限于用來捕捉運(yùn)動(dòng)物體的軌跡。

“當(dāng)時(shí)一門心思在如何改變大功率頻閃儀器問題上下功夫。”趙友明說，當(dāng)初理念是將頻閃設(shè)備“移植”到運(yùn)動(dòng)物體上，憑著自己對電子技術(shù)的掌握，很快，這個(gè)難題被攻破，“在運(yùn)動(dòng)物體上內(nèi)置數(shù)字電路和高亮度發(fā)光二極管，輸出頻率為25赫茲、50赫茲，通俗地說，就是物體在運(yùn)動(dòng)過程中每秒閃動(dòng)25次或50次。”

成功將大功率頻閃設(shè)備替換掉后，趙友明將自己發(fā)明的能頻閃的運(yùn)動(dòng)體取名為“滾動(dòng)式微型頻閃光源，以下簡稱‘運(yùn)動(dòng)體’。”

不過，解決運(yùn)動(dòng)體的問題后，專業(yè)相機(jī)的昂貴，依然讓這個(gè)設(shè)備沒有多大的用武之地。

歪打正著 與兒子合作成功破題“運(yùn)動(dòng)體制作成功后，我就嘗試，用日常生活中常見的傻瓜相機(jī)實(shí)驗(yàn)抓拍。”趙友明說，實(shí)驗(yàn)時(shí)，找一個(gè)網(wǎng)狀物品在底部兜著，然后讓運(yùn)動(dòng)體落下，然后按動(dòng)相機(jī)快門，捕捉運(yùn)動(dòng)物體的運(yùn)動(dòng)軌跡。

“反反復(fù)復(fù)，進(jìn)行數(shù)十次實(shí)驗(yàn)，但是遺憾的是每一次實(shí)驗(yàn)，抓怕到的都只有一個(gè)運(yùn)動(dòng)體。”趙友明說，而且很清晰，根本無軌跡可尋。

2006年的一天，再次失敗的趙友明讓兒子趙禹杰幫忙，用相機(jī)拍攝，他拋動(dòng)運(yùn)動(dòng)體。

“他總共拍了4張，我一張一張地往后翻，前3張都和我拍的一樣，但是第四張照片上，有多個(gè)運(yùn)動(dòng)體的痕跡。”講到這里，趙友明一下興奮起來，“兒子竟然抓拍到了，我問他怎么拍的，他說不知道。”

對照片的拍攝模式進(jìn)行仔細(xì)查看和研究后，趙有明恍然大悟，原來兒子在拍照片的時(shí)候，將相機(jī)快門撥到了長時(shí)間曝光檔上。

“一般的傻瓜相機(jī)都有這個(gè)功能，只不過，我一直專注于專業(yè)的研究，而忽略了對相機(jī)本身的研究。”沒想到一直困擾趙友明的難題，原來解決起來，那么簡單，那么容易，“都陷進(jìn)書里去了，卻忽略了生活中的一些常識，解決方法原來一直在身邊。”

花了一年多時(shí)間，趙友明的創(chuàng)造發(fā)明成功了。

講解原理 捕捉軌跡驗(yàn)證理論“實(shí)驗(yàn)中，一個(gè)物體從手中落下，需要0.2至0.3秒，拍照時(shí)，將曝光時(shí)間調(diào)至1秒或者2秒，在小光圈下，運(yùn)動(dòng)體落下時(shí)，閃動(dòng)25次或50次的痕跡，能在一張照片上能完整地以亮點(diǎn)顯現(xiàn)出來，而這些亮點(diǎn)就是運(yùn)動(dòng)體運(yùn)動(dòng)的痕跡。”趙友明解釋說，通過這些痕跡，論證重力加速度等都是輕而易舉的事情。

趙友明講解，實(shí)驗(yàn)很簡單，需要的設(shè)備很大眾化，一臺電腦，一臺傻瓜相機(jī)，一個(gè)運(yùn)動(dòng)體，加上一個(gè)擋板，整套設(shè)備就成功了。“實(shí)驗(yàn)不需要大功率頻閃設(shè)備，不需要專業(yè)相機(jī)，不需要沖洗照片，而且實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)精準(zhǔn)度大大提高，操作方便，直觀性強(qiáng)，穩(wěn)定性好，最主要的是造價(jià)低。”

“現(xiàn)場學(xué)生做實(shí)驗(yàn)，馬上就能在照片中體現(xiàn)運(yùn)動(dòng)體軌跡，通過直觀的圖像和數(shù)據(jù)，幾分鐘就能完成實(shí)驗(yàn)，并分析、研究數(shù)據(jù)。”趙友明說。

一個(gè)粗制的儀器模型出來后，趙友明在政府部門、教育部門等的支持下，大闖天下，并收獲了一個(gè)個(gè)“冠軍。”期間，趙友明的發(fā)明在獲得榮譽(yù)的同時(shí)，也得到很多專家的建議，不斷改進(jìn)、完善，擋板也成演變?yōu)閹Э潭葮?biāo)尺，“這樣每一個(gè)運(yùn)動(dòng)點(diǎn)，都可以給它坐標(biāo)，根據(jù)坐標(biāo)變化，就能歸納出運(yùn)動(dòng)體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律等，也可反推重力加速度等，讓學(xué)生更能深刻地理解和體會。”

趙友明定義自己的發(fā)明，《運(yùn)動(dòng)頻閃觀測儀》是由一個(gè)采用單片機(jī)為核心的數(shù)字電路控制輸出穩(wěn)定且可調(diào)的微型頻閃光源作為運(yùn)動(dòng)體，借助移動(dòng)式發(fā)光標(biāo)尺為背景，配合一臺數(shù)碼相機(jī)及相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)裝置，實(shí)現(xiàn)對運(yùn)動(dòng)體（頻閃光源）運(yùn)動(dòng)軌跡的拍攝，再連接到電腦中利用電腦程序進(jìn)行定量實(shí)驗(yàn)分析和運(yùn)動(dòng)體軌跡的適時(shí)觀測。

“它可以對自由落體運(yùn)動(dòng)、平拋運(yùn)動(dòng)等拋體運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)軌跡做出精確的描述，既能提高定性觀測效果，更能進(jìn)一步進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的定性探究。它改進(jìn)后還可以驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律,研究勻變速直線運(yùn)動(dòng),簡諧運(yùn)動(dòng)等力學(xué)實(shí)驗(yàn)。”趙友明說。

難題解決 收獲的是榮譽(yù)2007年9月，趙友明老師帶著“微型頻閃光源-平拋運(yùn)動(dòng)演示儀”（即《運(yùn)動(dòng)頻閃觀測儀》原型）在成都市參加四川省教廳舉辦的第八屆自制教具大賽，得到了四川省教學(xué)儀器專家們的認(rèn)可，獲得省一等獎(jiǎng)。

由于全國高中新課改的需要，2008年四川省的實(shí)驗(yàn)專家將該教具推薦給教育部教學(xué)儀器研究所的實(shí)驗(yàn)專家。趙友明帶著它到北京做現(xiàn)場的實(shí)驗(yàn)展示，得到北京專家的充分肯定。在北京專家的指導(dǎo)下，趙友明老師不斷改進(jìn)這個(gè)教具，讓它與現(xiàn)代教育技術(shù)相結(jié)合，使它具有更高的實(shí)用性、科學(xué)性、推廣性，并將它更名為“微型頻閃光源和移動(dòng)式發(fā)光標(biāo)尺組”。

2009年，教育部在上海市華東師范大學(xué)舉辦全國第七屆自制教具大賽活動(dòng)，四川省教廳推薦趙友明老師的教具參加比賽，獲得全國一等獎(jiǎng)，這也是四川省物理學(xué)科在這次大賽中獲得的唯一全國一等獎(jiǎng)。

2010年8月，趙友明應(yīng)中國物理教育教學(xué)專業(yè)委員會的邀請，到北京師范大學(xué)參加為期一周的“2010年物理教育教學(xué)專業(yè)委員會年會和國際物理論壇”，并向全國物理教師進(jìn)行新教具的展示，得到同行們的一致好評。2010年，在教育部實(shí)驗(yàn)專家們的建議下，趙友明將該教具正式命名為《運(yùn)動(dòng)頻閃觀測儀》。

2011年，該自制教具《運(yùn)動(dòng)頻閃觀測儀》獲國家實(shí)用新型發(fā)明專利權(quán)。同時(shí)，它進(jìn)入了《全國理科實(shí)驗(yàn)配備標(biāo)準(zhǔn)》，成為全國高中物理必配的演示實(shí)驗(yàn)之一，將在全國推廣使用。

2012年11月12日，第七屆國際發(fā)明展覽會在江蘇昆山如期舉行，《運(yùn)動(dòng)頻閃觀測儀》獲得發(fā)明金獎(jiǎng)。

目前，趙友明的《運(yùn)動(dòng)頻閃觀測儀》已經(jīng)有廠家在生產(chǎn)中，不久將面世。