Környezetünk eszközei és a természettudományos nevelés. Szakmány Tibor PhD hallgató SZTE Kísérleti Fizikai Tanszék

Átírás

1 Környezetünk eszközei és a természettudományos nevelés Szakmány Tibor PhD hallgató SZTE Kísérleti Fizikai Tanszék

2 Tartalom: Bevezetı Történeti áttekintés A digitális fényképezıgéprıl általában, mőködése Fényképezés, videófelvétel mozágsok elemzése Polarizáció, színkeverés Digitális spektroszkóp NIR érzékenység Time laps fényképezés Mérjük meg a Hold keringési idejét 2

3 Bevezetı A széles körben elterjedı modern digitális eszközök új lehetıségeket kínálnak az órai szemléltetésben, kísérletezésben, és mérési gyakorlatokban. 3

4 A digitális fényképezés története Camera obscura már az ókorban ismerik elsı fénykép XIX.század Nicéphore Niépce, Louis Daguerre, Fox Talbot fényképezés alapjai, fényérzékeny ezüst- halogenid szemcsék Daguerreotype 4

5 A digitális fényképezés története George Eastmann (1898): fényérzékeny szemcsék celluloid filmen zselatin alapú emulzióban Lumière-testvérek testvérek: színesfilm Leica (Leitz camera) ) ben Számítógép és televízió 1950-es évekre [1] Wikipedia - Internetes szabad lexikon ( ) 5

6 A digitális fényképezés története 1960-ra NASA digitális jeltovábbítási módszert dolgoz ki 1969-ben Willard Boyle és George Smith kifejlesztik a CCD-t Canon RC710 az elsı digitális fényképezıgép kereskedelmi forgalomban Napjainkra széles körben elterjedtek Beköszöntött a digitális fényképezés kora [2] Wikipedia Internetes szabad lexikon ( ) 6

7 CCD mőködése A digitális fényképezıgép lelke a CCD,CMOS chip,, fényérzékeny cellák kétdimenziós mátrixa Fém-oxid félvezetı (MOS) Pixel (picture element) [3] Davidson, Michael W. and Abramowitz, Mortimer: Concepts in Digital Imaging Technology, Molecular ExpressionsTM honlapja ( ) s.html 7

8 Felbontás, méret Leggyakoribb felbontások Leggyakoribb érzékelı méretek 640 x 480 pixel 1024 x 768 pixel 1280 x 960 pixel 2048 x 1536 pixel 2816 x 2112 pixel 3264 x 2448 pixel 3648 x 2736 pixel 4000 x 3000 pixel 0,3 Mpixel 0,9 Mpixel 1,3 Mpixel 3,1 Mpixel 6 Mpixel 8 Mpixel 10 Mpixel 12,1 Mpixel 8

9 Megapixel háború Jel-zaj arány a pixel méretének függvényében 9

10 Kiolvasás, töltések léptetése A kiolvasás menete A töltések léptetése, háromfázisú órajel 10

11 Kiolvasás, töltések léptetése [4] Nagy Krisztián Érzékelık 1, Pixinfo.com ( ) 11

12 Kiolvasás, töltések léptetése 12

13 Kiolvasás, töltések léptetése 13

14 A/D konverzió Analóg jel erısítése A/D konverzió Digitális jelek: JPEG 8 bit (256 érték) (RAW kép 12 bit, professzionális gépek bit) 14

15 Digitális színeskép Alapja a Bayer színszőrı Színkeverés három alapszínbıl 256x256x256 = 16,7 millió szín 15

16 Színkeverés Fényképek Bayer színszőrıkkel 16

17 Felhasználás Fénykép, sorozatkép, videofelvétel készítése szinte bárhol, bármikor Képek számítógépre mentése Számítógéprıl vezérelt fényképezés 17

18 Fényképezés Fényképezés rövid és hosszú záridıvel 18

19 Fényképezés Makró 19

20 Sorozatfelvétel, nyomkép Sorozatfelvétel, videofelvétel nyomkép 20

21 A fizikaoktatásban Videofelvétel képkockánkénti vetítése, elmentése Windows Movie Maker-rel rel 21

22 A fizikaoktatásban Sorozatképek, videofelvételek képkockáinak illesztése Paint-tel tel 22

23 A fizikaoktatásban Rajzolás és koordináták meghatározása Paint-ben 23

24 A fizikaoktatásban Adatfeldolgozás Excel-lel lel t AVI [s] 5,26 5,34 5,42 5,5 5,58 5,66 5,74 5,82 5,9 h/ t t [s] 3, , , , - 0, , , , ,08 0,16 0,24 0,32 0,4 0,48 0,56 0,64 Ekin 0, , , ,0113 0, , , , h paint [px] Epot , , , , , , , h [px] h [m] 0,000 0,288 0,516 0,677 0,705 0,654 0,486 0,264 0,000 h [m] Ekin, Epot [J] 0,800 0,700 0,600 0,500 0,400 0,300 0,200 0,100 0,000 0,05 0,04 0,03 0,02 0,01 0 0,2 0,4 0,6 0,8 t [s] 0 0 0,2 0,4 0,6 t [s] h [m] Polinom. (h [m]) y = -6,8846x 2 + 4,3693x R 2 = 0,9952 Ekin Epot R 2 = 0,9973 R 2 = 0,9485 Polinom. (Epot) Polinom. (Ekin) 24

25 A fizikaoktatásban Sebesség és gyorsulás kvantitatív mérése Lejtın megtett út az idı múlásával lejtı 1 [cm] lejtı 2 [cm] lejtı 3 [cm] 70 s [cm] t [s] Sebesség változása az idı múlásával dx/dt lejtı 1 dx/dt lejtı 2 dx/dt lejtı y = x dx/dt [cm/s] y = x y = x t [s] 25

26 A fizikaoktatásban Rezgımozgás és körmozgás kapcsolata x [pixel] dx/dt [pixel/s] t [s] 300 Rezgés x-t, v-t függvénye 1500 Rezgés jellemzı mennyiségeinek változása ,5 1 1,5 2 2,5 3 3, x [pixel] -200 dx/dt [pixel/s] x [pixel] dx/dt [pixel/s] dv/dt [pixel/s2] 26

27 A fizikaoktatásban Csillapodó rezgések burkoló görbéi 250 Súrlódás hatására csillapodó rezgés 200 Közegellánás csillapító hatása A [pixel] A [pixel] y = 235,54e -0,2989x t [s] t [s]

28 A fizikaoktatásban Mérések összevetése a CASSY számítógépes mérırendszerrel 28

29 A fizikaoktatásban Kezdés t=0, s=0, 4 képkockánként 29

30 A fizikaoktatásban Kezdés t=0, s=0, 5cm-ként 30

31 A fizikaoktatásban Kezdés t=0, s 0, s 5cm-ként 31

32 A fizikaoktatásban Kezdés t 0, t s 0, s 5cm-ként 32

33 A fizikaoktatásban Újszerő mérési gyakorlatok pl: : autók sebességének mérése 33

34 A fizikaoktatásban A digitális fényképezıgépek, mobiltelefonok kijelzıi és az LCD monitorok polarizált fényt bocsátanak ki 34

35 A fizikaoktatásban Színkeverés: Monitorok, kijelzık makró fotók 35

36 Digitális spektroszkóp Bontó elem: CD Az adatokat rövid és hosszú mélyedések spirális barázdákban elrendezett sorozata hordozza A barázdák 1,6µm-re 36

37 Házi készítéső spektroszkóp Eszközök: CD lemez Karton doboz (pl. müzlis doboz) Szigetelı szalag Borotva penge Egy másik megvalósítás webkamerával: 37

38 Kísérletezés otthon Különbözı fényforrások: Izzó Fénycsı 38

39 Kísérletezés otthon Különbözı fényforrások: Gyertya Gyertya + só 39

40 Kísérletezés otthon Különbözı fényforrások: Takarékos égı Monitor (fehér lap) [5] Mark Tiele Westra (Fordította: Adorjánné Farkas Magdolna): Vess egy új pillantást a fényre: készítsd el a saját spektroszkópod; Science in School - Issue

41 Spektrum fotók Gyertya Nap Kék LED Piros LED Takarékos izzó Fénycsı Kvarc lámpa Hg Ne He 41

42 Digitális spektrométer Relatív intenzitás értékek meghatározhatók 42

43 Digitális spektrométer Számítógép vezérelt fényképezés Rögzített elrendezés Bontott fény az objektívre (fényképezıgép, webkamera) Ismert fényforrás vonalas színképe kalibráláshoz Szoftver írható (java, C#) 43

44 Spektrum Nehéz megmutatni a látható tartományon kívül 44

45 IR fényképezés A CCD érzékeny a közeli infravörös tartományra Kiküszöbölése: CCD elıtt felülvágó IR szőrı 45

46 IR fényképezés Fényképezés 720nm-es IR-szőrıvel [6] Planinsic, Gorazd: : A photoshoot for food and drink: camera sees more than you think, Physics Education 39 (2004) o. 46

47 IR fényképezés 720nm, 920nm alulvágó fotós szőrı (10-12eFt) 12eFt) [7] Bodnárné Horváth Ildikó: Álomvilág c. fotója

48 IR fényképezés IR fényképezés szőrı nélkül Otthoni kísérletezés: Mi átlátszó, mi nem (fekete üveges anyagok, kóla, szemeteszsák ) Egy másik megvalósítás webkamerával: 48

49 TimeLaps fényképezés TimeLaps ~ Az idı ı fényképezése Számítógép + program + fényképezıgép Láthatóvá tehetünk lassú folyamatokat (felhık mozgása, növények mozgása, lassú reakciók, fázisátalakulások stb.) Videó 49

50 Hold keringési ideje Két egymást követı nap Hold delelési ponthoz közel Pixeltávolság és fok/pixel váltószám alapján napi szögelfordulás meghatározható 50

51 Hold keringési ideje Váltószám meghatározása: Mérıszalag 1m-ét A fényképezıgép 1m távolságra 26,56º-ra 1207px jut A váltószám ~ 0,022 º/px 51

52 Hold keringési ideje 24 óra alatt 518px >> 11,40 º/nap >> 31,6 nap Szinódikus hónap: 29,53 nap 52

53 Hold keringési ideje Mérés pontosítása: Rögzített pozíció a fényképezıgép állványon marad Számítógéprıl vezérelt fényképezés Elmozdulás meghatározása az állócsillagokhoz képest [8] Hughes, Stephen W.: Measuring the orbital period of the Moon using a digital camera, Physics Education 41(2006) o. 53

54 Felhasználás elınyei Az oktatásban felhasználható képanyagot a diákok készítik el, akár a saját fényképezıgépükkel Digitális formátum könnyen tárolható, bármikor újra felhasználható Mobilitás iskolában, szabadban ( outdoor physics ), otthon A tanulók számítástechnikai tudásának kihasználása, kapcsolódás az informatika, multimédia órákhoz Motiváció kedvezı attitőd (tudás átadása high high-tech eszközök segítségével) 54

55 Ábrák és irodalom [1] Wikipedia - Internetes szabad lexikon ( ) [2] Wikipedia Internetes szabad lexikon ( ) [3] Davidson, Michael W. and Abramowitz, Mortimer: Concepts in Digital Imaging Technology, Molecular ExpressionsTM honlapja s.html [4] Nagy Krisztián Érzékelık 1, Pixinfo.com ( ) [5] Mark Tiele Westra (Fordította: Adorjánné Farkas Magdolna): Vess egy új pillantást a fényre: készítsd el a saját spektroszkópod; Science in School - Issue 4 [6] Planinsic, Gorazd: : A photoshoot for food and drink: camera sees more than you think, Physics Education 39 (2004) o. [7] Bodnárné Horváth Ildikó: Álomvilág c. fotója [8] Hughes, Stephen W.: Measuring the orbital period of the Moon using a digital camera, Physics Education 41(2006) o. [9] Furész Gábor: CCD alapismeretek; [10] Kaucsár Márton: Digitális fényképezogép I.- XII. Firka, Az Erdélyi Magyar Muszaki Tudományos Társaság kiadványa, , 2004, 12.évf.5.sz.-tól 14.évf.4.sz.-ig megjelent cikksorozata [11] Zetie,, Ken: Cheap camera illuminates the infrared Physics Education 41 (2006) 208. o. 55