德昌中學(xué)物理教師趙友明搞發(fā)明

2012年11月12日，《運動(dòng)頻閃觀(guān)測儀》獲得第七屆國際發(fā)明展覽會(huì )發(fā)明金獎。

獎項：11月12日，第七屆國際發(fā)明展覽會(huì )在江蘇昆山國際會(huì )展中心成功落下帷幕，德昌中學(xué)趙友明老師的專(zhuān)利產(chǎn)品《運動(dòng)頻閃觀(guān)測儀》在展會(huì )上榮獲金獎，也是四川省獲得的唯一金獎。

原理：利用普通相機長(cháng)時(shí)間曝光拍攝，捕捉運動(dòng)物體的軌跡，將“講實(shí)驗”轉化為“做實(shí)驗”，操作簡(jiǎn)單，誤差小，直觀(guān)易懂。

影響：《運動(dòng)頻閃觀(guān)測儀》進(jìn)入了《全國理科實(shí)驗配備標準》，成為全國高中物理必配的演示實(shí)驗之一。

參展歸來(lái) 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、輔導學(xué)生。不過(guò)，在平靜的外表下，趙友明心中有著(zhù)一份期盼與憂(yōu)慮，“我的專(zhuān)利發(fā)明廠(chǎng)家已經(jīng)在生產(chǎn)，成品就要出來(lái)了，不知道效果怎么樣，成品出來(lái)后會(huì )不會(huì )出現大量仿制品。”

趙友明期望與擔心的，正是今年在江蘇昆山進(jìn)行的第七屆國際發(fā)明展覽會(huì )上，榮獲金獎的《運動(dòng)頻閃觀(guān)測儀》。

德昌縣教育局一負責人介紹，第七屆國際發(fā)明展覽會(huì )是目前為止我國唯一的國際發(fā)明展。在展會(huì )上，共有來(lái)自亞洲、歐洲、非洲等30余個(gè)國家近4000個(gè)項目參與評選，經(jīng)過(guò)評選，趙友明老師的專(zhuān)利產(chǎn)品《運動(dòng)頻閃觀(guān)測儀》獲得發(fā)明金獎，這是此次活動(dòng)中四川省獲得的唯一金獎。

講述實(shí)驗 傳統設備不準確不劃算“我從事物理教學(xué)工作21年了，在物理教學(xué)中許多實(shí)驗需要進(jìn)行操作。”趙友明說(shuō)，此前在教導學(xué)生進(jìn)行力學(xué)實(shí)驗中，測重力加速度等實(shí)驗時(shí)，采用的實(shí)驗儀器是打點(diǎn)計時(shí)器，“一根紙帶，一張復寫(xiě)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)復寫(xiě)紙打印不出來(lái)等，會(huì )很大程度上影響實(shí)驗的精確性。”

而除了打點(diǎn)計時(shí)器外，趙友明表示還有一種進(jìn)行實(shí)驗的方法，但是因為過(guò)于昂貴和復雜，很多學(xué)校都未采用，“用一臺大功率的頻閃設備不停閃爍，照射在運動(dòng)體上，然后用專(zhuān)業(yè)的相機，捕捉每次頻閃后，運動(dòng)物體所處的不同位置，然后將底片沖印成照片，再進(jìn)行軌跡分析和數據分析等，很復雜，而且能耗高，耗時(shí)長(cháng)。”

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

靈感創(chuàng )作 想搞一個(gè)節能又方便的東西“2005年的時(shí)候，產(chǎn)生了這個(gè)想法，設計發(fā)明一套實(shí)驗器材，既能操作簡(jiǎn)單，又能讓學(xué)生直觀(guān)了解參與。”趙友明說(shuō)，也就是讓學(xué)生從“聽(tīng)實(shí)驗”到真正地“做實(shí)驗”。而當時(shí)，國家也提出新課改，進(jìn)行物理實(shí)驗與現代的教育技術(shù)相結合，“也就是充分利用電腦、相機等設備。”

在電子技術(shù)方面也頗有建樹(shù)的趙友明首先想到的實(shí)驗器材，是基于專(zhuān)業(yè)相機基礎上的，而且僅限于用來(lái)捕捉運動(dòng)物體的軌跡。

“當時(shí)一門(mén)心思在如何改變大功率頻閃儀器問(wèn)題上下功夫。”趙友明說(shuō)，當初理念是將頻閃設備“移植”到運動(dòng)物體上，憑著(zhù)自己對電子技術(shù)的掌握，很快，這個(gè)難題被攻破，“在運動(dòng)物體上內置數字電路和高亮度發(fā)光二極管，輸出頻率為25赫茲、50赫茲，通俗地說(shuō)，就是物體在運動(dòng)過(guò)程中每秒閃動(dòng)25次或50次。”

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

不過(guò)，解決運動(dòng)體的問(wèn)題后，專(zhuān)業(yè)相機的昂貴，依然讓這個(gè)設備沒(méi)有多大的用武之地。

歪打正著(zhù) 與兒子合作成功破題“運動(dòng)體制作成功后，我就嘗試，用日常生活中常見(jiàn)的傻瓜相機實(shí)驗抓拍。”趙友明說(shuō)，實(shí)驗時(shí)，找一個(gè)網(wǎng)狀物品在底部兜著(zhù)，然后讓運動(dòng)體落下，然后按動(dòng)相機快門(mén)，捕捉運動(dòng)物體的運動(dòng)軌跡。

“反反復復，進(jìn)行數十次實(shí)驗，但是遺憾的是每一次實(shí)驗，抓怕到的都只有一個(gè)運動(dòng)體。”趙友明說(shuō)，而且很清晰，根本無(wú)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，用相機拍攝，他拋動(dòng)運動(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)運動(dòng)體的痕跡。”講到這里，趙友明一下興奮起來(lái)，“兒子竟然抓拍到了，我問(wèn)他怎么拍的，他說(shuō)不知道。”

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

“一般的傻瓜相機都有這個(gè)功能，只不過(guò)，我一直專(zhuān)注于專(zhuān)業(yè)的研究，而忽略了對相機本身的研究。”沒(méi)想到一直困擾趙友明的難題，原來(lái)解決起來(lái)，那么簡(jiǎn)單，那么容易，“都陷進(jìn)書(shū)里去了，卻忽略了生活中的一些常識，解決方法原來(lái)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 捕捉軌跡驗證理論“實(shí)驗中，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)間調至1秒或者2秒，在小光圈下，運動(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)顯現出來(lái)，而這些亮點(diǎn)就是運動(dòng)體運動(dòng)的痕跡。”趙友明解釋說(shuō)，通過(guò)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)驗很簡(jiǎn)單，需要的設備很大眾化，一臺電腦，一臺傻瓜相機，一個(gè)運動(dòng)體，加上一個(gè)擋板，整套設備就成功了。“實(shí)驗不需要大功率頻閃設備，不需要專(zhuān)業(yè)相機，不需要沖洗照片，而且實(shí)驗數據精準度大大提高，操作方便，直觀(guān)性強，穩定性好，最主要的是造價(jià)低。”

“現場(chǎng)學(xué)生做實(shí)驗，馬上就能在照片中體現運動(dòng)體軌跡，通過(guò)直觀(guān)的圖像和數據，幾分鐘就能完成實(shí)驗，并分析、研究數據。”趙友明說(shuō)。

一個(gè)粗制的儀器模型出來(lái)后，趙友明在政府部門(mén)、教育部門(mén)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(zhuān)家的建議，不斷改進(jìn)、完善，擋板也成演變?yōu)閹Э潭葮顺撸?ldquo;這樣每一個(gè)運動(dòng)點(diǎn)，都可以給它坐標，根據坐標變化，就能歸納出運動(dòng)體的運動(dòng)規律等，也可反推重力加速度等，讓學(xué)生更能深刻地理解和體會(huì )。”

趙友明定義自己的發(fā)明，《運動(dòng)頻閃觀(guān)測儀》是由一個(gè)采用單片機為核心的數字電路控制輸出穩定且可調的微型頻閃光源作為運動(dòng)體，借助移動(dòng)式發(fā)光標尺為背景，配合一臺數碼相機及相應的實(shí)驗裝置，實(shí)現對運動(dòng)體（頻閃光源）運動(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)驗分析和運動(dòng)體軌跡的適時(shí)觀(guān)測。

“它可以對自由落體運動(dòng)、平拋運動(dòng)等拋體運動(dòng)的運動(dòng)軌跡做出精確的描述，既能提高定性觀(guān)測效果，更能進(jìn)一步進(jìn)行實(shí)驗數據的定性探究。它改進(jìn)后還可以驗證機械能守恒定律,研究勻變速直線(xiàn)運動(dòng),簡(jiǎn)諧運動(dòng)等力學(xué)實(shí)驗。”趙友明說(shuō)。

難題解決 收獲的是榮譽(yù)2007年9月，趙友明老師帶著(zhù)“微型頻閃光源-平拋運動(dòng)演示儀”（即《運動(dòng)頻閃觀(guān)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(zhuān)家們的認可，獲得省一等獎。

由于全國高中新課改的需要，2008年四川省的實(shí)驗專(zhuān)家將該教具推薦給教育部教學(xué)儀器研究所的實(shí)驗專(zhuān)家。趙友明帶著(zhù)它到北京做現場(chǎng)的實(shí)驗展示，得到北京專(zhuān)家的充分肯定。在北京專(zhuān)家的指導下，趙友明老師不斷改進(jìn)這個(gè)教具，讓它與現代教育技術(shù)相結合，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，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。

2010年8月，趙友明應中國物理教育教學(xué)專(zhuān)業(yè)委員會(huì )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(zhuān)業(yè)委員會(huì )年會(huì )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)驗專(zhuān)家們的建議下，趙友明將該教具正式命名為《運動(dòng)頻閃觀(guān)測儀》。

2011年，該自制教具《運動(dòng)頻閃觀(guān)測儀》獲國家實(shí)用新型發(fā)明專(zhuān)利權。同時(shí)，它進(jìn)入了《全國理科實(shí)驗配備標準》，成為全國高中物理必配的演示實(shí)驗之一，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(huì )在江蘇昆山如期舉行，《運動(dòng)頻閃觀(guān)測儀》獲得發(fā)明金獎。

目前，趙友明的《運動(dòng)頻閃觀(guān)測儀》已經(jīng)有廠(chǎng)家在生產(chǎn)中，不久將面世。