Környezetünk eszközei és a természettudományos...

Környezetünk eszközei és a Környezetünk eszközei és a természettudományos neveléstermészettudományos nevelés

Szakmány TiborSzakmány Tibor

PhDPhD hallgatóhallgató

SZTE Kísérleti Fizikai TanszékSZTE Kísérleti Fizikai Tanszék

2

Tartalom:Tartalom:

•• BevezetıBevezetı

•• Történeti áttekintésTörténeti áttekintés

•• A digitális fényképezıgéprıl általában, mőködéseA digitális fényképezıgéprıl általában, mőködése

•• Fényképezés, Fényképezés, videófelvételvideófelvétel –– mozágsokmozágsok elemzéseelemzése

•• Polarizáció, színkeverésPolarizáció, színkeverés

•• Digitális spektroszkópDigitális spektroszkóp

•• NIR érzékenység NIR érzékenység

•• Time Time lapslaps fényképezésfényképezés

•• Mérjük meg a Hold keringési idejétMérjük meg a Hold keringési idejét

3

BevezetıBevezetı

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

4

A digitális fényképezés történeteA digitális fényképezés története

•• CameraCamera obscuraobscura

már az ókorban ismerikmár az ókorban ismerik

•• 1826. elsı fénykép1826. elsı fénykép

•• XIX.század XIX.század NicéphoreNicéphoreNiépceNiépce, , LouisLouis DaguerreDaguerre, , FoxFoxTalbotTalbot fényképezés alapjai, fényképezés alapjai, fényérzékeny fényérzékeny ezüstezüst--halogenidhalogenid szemcsékszemcsék

•• 1839. 1839. DaguerreotypeDaguerreotype

5


•• George George EastmannEastmann (1898): (1898): fényérzékeny szemcsék fényérzékeny szemcsék celluloid filmen zselatin celluloid filmen zselatin alapú emulzióbanalapú emulzióban

•• LumièreLumière--testvérektestvérek: : színesfilmszínesfilm

•• LeicaLeica ((LeitzLeitz cameracamera) 1925) 1925--benben

•• Számítógép és televízió Számítógép és televízió 19501950--es évekrees évekre

[1] [1] WikipediaWikipedia -- Internetes szabad lexikon (2009.03.14.)Internetes szabad lexikon (2009.03.14.)http://hu.wikipedia.org/wiki/A_f%C3%A9nyk%C3%A9p%C3%A9szet_t%C3%http://hu.wikipedia.org/wiki/A_f%C3%A9nyk%C3%A9p%C3%A9szet_t%C3%B6rt%C3%A9neteB6rt%C3%A9nete

6


•• 19601960--ra NASA digitális jeltovábbítási ra NASA digitális jeltovábbítási módszert dolgoz kimódszert dolgoz ki

•• 19691969--ben ben WillardWillard BoyleBoyle és George és George SmithSmith kifejlesztik a CCDkifejlesztik a CCD--tt

•• 1986. 1986. CanonCanon RC710 az elsı digitális RC710 az elsı digitális fényképezıgép kereskedelmi fényképezıgép kereskedelmi forgalombanforgalomban

•• Napjainkra széles körben elterjedtekNapjainkra széles körben elterjedtek

•• Beköszöntött a digitális fényképezés Beköszöntött a digitális fényképezés korakora

[2] [2] WikipediaWikipedia –– Internetes szabad lexikon (2006.11.08.)Internetes szabad lexikon (2006.11.08.)http://en.wikipedia.org/wiki/Digital_camera#Historyhttp://en.wikipedia.org/wiki/Digital_camera#History

7

CCD mőködéseCCD mőködése

•• A digitális fényképezıgép lelke a A digitális fényképezıgép lelke a CCD,CMOS CCD,CMOS chipchip, fényérzékeny , fényérzékeny cellák kétdimenziós mátrixa cellák kétdimenziós mátrixa

•• FémFém--oxid félvezetı (MOS)oxid félvezetı (MOS)

•• PixelPixel

((picturepicture elementelement))

[3] [3] DavidsonDavidson, , MichaelMichael W. W. andand AbramowitzAbramowitz, , MortimerMortimer: : ConceptsConcepts inin DigitalDigital ImagingImaging TechnologyTechnology,,MolecularMolecular ExpressionsTMExpressionsTM honlapja (2006.11.12.)honlapja (2006.11.12.)http://microscopy.fsu.edu/primer/digitalimaging/concepts/concepthttp://microscopy.fsu.edu/primer/digitalimaging/concepts/concepts.htmls.html

8

Felbontás, méretFelbontás, méret

•• Leggyakoribb Leggyakoribb felbontások felbontások

•• Leggyakoribb Leggyakoribb érzékelı érzékelı méretekméretek

12,1 Mpixel4000 x 3000 pixel

10 Mpixel3648 x 2736 pixel







9

MegapixelMegapixel háborúháború

•• JelJel--zaj arány a pixel méretének függvényébenzaj arány a pixel méretének függvényében

10

Kiolvasás, töltések léptetéseKiolvasás, töltések léptetése

•• A kiolvasás meneteA kiolvasás menete•• A töltések léptetése, A töltések léptetése,

háromfázisú órajelháromfázisú órajel

11


[4] [4] Nagy Krisztián Nagy Krisztián –– Érzékelık 1, Érzékelık 1, Pixinfo.comPixinfo.com (2009.07.06.)(2009.07.06.)http://pixinfo.com/cikkek/fotoelmelet_erzekelok_1http://pixinfo.com/cikkek/fotoelmelet_erzekelok_1

12


13


14

A/D konverzióA/D konverzió

•• Analóg jel erısítéseAnalóg jel erısítése

•• A/D konverzióA/D konverzió

•• Digitális jelek:Digitális jelek:

JPEG 8 bit (256 érték)JPEG 8 bit (256 érték)

(RAW kép 12 bit, professzionális gépek 14(RAW kép 12 bit, professzionális gépek 14--16 bit)16 bit)

15

Digitális Digitális színesképszíneskép

•• Alapja a Alapja a BayerBayer színszőrıszínszőrı

•• Színkeverés három alapszínbılSzínkeverés három alapszínbıl

•• 256x256x256 = 16,7 millió szín256x256x256 = 16,7 millió szín

16

SzínkeverésSzínkeverés

•• Fényképek Fényképek BayerBayer színszőrıkkelszínszőrıkkel

17

FelhasználásFelhasználás

•• Fénykép, sorozatkép, videofelvétel készítése szinte Fénykép, sorozatkép, videofelvétel készítése szinte bárhol, bármikorbárhol, bármikor

•• Képek számítógépre mentéseKépek számítógépre mentése

•• Számítógéprıl vezérelt fényképezésSzámítógéprıl vezérelt fényképezés

18

FényképezésFényképezés

•• Fényképezés rövid és hosszú záridıvelFényképezés rövid és hosszú záridıvel

19

FényképezésFényképezés

•• MakróMakró

20

Sorozatfelvétel, nyomképSorozatfelvétel, nyomkép

•• Sorozatfelvétel, videofelvétel Sorozatfelvétel, videofelvétel –– nyomképnyomkép

21

•• Videofelvétel képkockánkénti vetítése, elmentése Videofelvétel képkockánkénti vetítése, elmentése Windows Windows MovieMovie MakerMaker--relrel

A fizikaoktatásbanA fizikaoktatásban

22

•• Sorozatképek, videofelvételek képkockáinak Sorozatképek, videofelvételek képkockáinak illesztése illesztése PaintPaint--teltel


23

•• Rajzolás és koordináták meghatározása Rajzolás és koordináták meghatározása PaintPaint--benben


24

•• Adatfeldolgozás Adatfeldolgozás ExcelExcel--lellel

0,000173970,645,9

0,2641482660,565,82

0,4862721420,485,74

0,654366480,45,66

0,705395190,325,58

0,677379350,245,5

0,5162891250,165,42

0,2881612530,085,34

0,000041405,26

h [m]h [px]h paint [px]t [s]t AVI [s]

0,01451

9

0,03055

8

-

3,

30

35

7

0,02668

3

0,02145

1

-

2,

76

78

6

0,03590

5

0,01232

7

-

2,

09

82

1

0,03875

0,00117

3

-

0,

64

73

2

0,03718

0,00035

7

0,35714

3

0,02835

10,0113

2,00892

9

0,01579

4

0,02285

7

2,85714

3

0

0,03616

23,59375

EpotEkin∆h/∆t

y = -6,8846x2 + 4,3693x

R2 = 0,9952

0,000

0,100

0,200

0,300

0,400

0,500

0,600

0,700

0,800

0 0,2 0,4 0,6 0,8

t [s]

h [

m]

h [m]

Polinom. (h [m])

R2 = 0,9973

R2 = 0,94850

0,01

0,02

0,03

0,04

0,05

0 0,2 0,4 0,6

t [s]

Ek

in, E

po

t [J

]

Ekin

Epot

Polinom.

(Epot)Polinom.

(Ekin)


25

•• Sebesség és gyorsulás Sebesség és gyorsulás kvantitatív mérésekvantitatív mérése

Lejtın megtett út az idı múlásával

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5

t [s]

s [cm

]

lejtı 1 [cm] lejtı 2 [cm] lejtı 3 [cm]

Sebesség változása az idı múlásával

y = 251.64x

y = 47.501x

y = 11.005x

0

25

50

75

100

125

150

175

200

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4

t [s]

dx/d

t [c

m/s

]

dx/dt lejtı 1 dx/dt lejtı 2 dx/dt lejtı 3


26

•• Rezgımozgás és körmozgás kapcsolataRezgımozgás és körmozgás kapcsolata

-600

-400

-200

0

200

400

600

-1 0 1 2 3 4 5 6

t [s]

x [pixel]

dx/dt [pixel/s]

Rezgés x-t, v-t függvénye

-300

-200

-100

0

100

200

300

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4

x [pixel]

dx/dt [pixel/s]

Rezgés jellemzı mennyiségeinek változása

-1500

-1000

-500

0

500

1000

1500

0 1 2 3 4

x [pixel]

dx/dt [pixel/s]

dv/dt [pixel/s2]


27

•• Csillapodó rezgések burkoló görbéiCsillapodó rezgések burkoló görbéi

Súrlódás hatására csillapodó rezgés

0

50

100

150

200

250

0 4 8 12t [s]

A [

pix

el]

Közegellánás csillapító hatása

y = 235,54e-0,2989x

0

50

100

150

200

0 4 8 12t [s]

A [

pix

el]


28

•• Mérések összevetése a CASSY számítógépes Mérések összevetése a CASSY számítógépes mérırendszerrelmérırendszerrel


29

•• Kezdés t=0, s=0, 4 képkockánkéntKezdés t=0, s=0, 4 képkockánként


30

•• Kezdés t=0, s=0, 5cmKezdés t=0, s=0, 5cm--kéntként


31

•• Kezdés t=0, sKezdés t=0, s≠≠0, 5cm0, 5cm--kéntként


32

•• Kezdés tKezdés t≠≠0, s0, s≠≠0, 5cm0, 5cm--kéntként


33

•• Újszerő mérési gyakorlatok Újszerő mérési gyakorlatok plpl: autók sebességének mérése: autók sebességének mérése


34


•• A digitális fényképezıgépek, mobiltelefonok kijelzıi A digitális fényképezıgépek, mobiltelefonok kijelzıi és az LCD monitorok polarizált fényt bocsátanak kiés az LCD monitorok polarizált fényt bocsátanak ki

35


Színkeverés:Színkeverés:

•• Monitorok, kijelzık Monitorok, kijelzık –– makró fotókmakró fotók

36

„„Digitális spektroszkóp”Digitális spektroszkóp”

•• Bontó elem: CDBontó elem: CD

•• Az adatokat rövid és Az adatokat rövid és hosszú mélyedések hosszú mélyedések spirális barázdákban spirális barázdákban elrendezett sorozata elrendezett sorozata hordozzahordozza

•• A barázdák 1,6µmA barázdák 1,6µm--rere

37

Házi készítéső spektroszkópHázi készítéső spektroszkóp

Eszközök:Eszközök:

•• CD lemezCD lemez

•• Karton dobozKarton doboz

(pl. müzlis doboz)(pl. müzlis doboz)

•• Szigetelı szalagSzigetelı szalag

•• Borotva pengeBorotva penge

Egy másik megvalósítás Egy másik megvalósítás webkamerávalwebkamerával::

http://pilath.fw.hu/spt.htmhttp://pilath.fw.hu/spt.htm

38

Kísérletezés otthonKísérletezés otthon

Különbözı fényforrások:Különbözı fényforrások:

•• IzzóIzzó

•• FénycsıFénycsı

39



•• GyertyaGyertya

•• Gyertya + sóGyertya + só

40


•• Takarékos égıTakarékos égı

•• Monitor (fehér lap)Monitor (fehér lap)


[5] Mark [5] Mark TieleTiele WestraWestra (Fordította: (Fordította: AdorjánnéAdorjánné Farkas Magdolna):Farkas Magdolna):Vess egy új pillantást a fényre: készítsd el a saját spektroszkVess egy új pillantást a fényre: készítsd el a saját spektroszkópod; ópod; ScienceScience inin SchoolSchool -- IssueIssue 44

http://www.scienceinschool.org/2007/issue4/spectrometer/hungariahttp://www.scienceinschool.org/2007/issue4/spectrometer/hungariann

41

Spektrum fotókSpektrum fotók

•• GyertyaGyertya

•• NapNap

•• Kék LEDKék LED

•• Piros LEDPiros LED

•• Takarékos izzóTakarékos izzó

•• FénycsıFénycsı

•• Kvarc lámpaKvarc lámpa

•• HgHg

•• NeNe

•• HeHe

42

„„Digitális spektrométer”Digitális spektrométer”

•• Relatív intenzitás értékek meghatározhatókRelatív intenzitás értékek meghatározhatók

43

„„Digitális spektrométer”Digitális spektrométer”

•• Számítógép vezérelt fényképezésSzámítógép vezérelt fényképezés

•• Rögzített elrendezésRögzített elrendezés

•• Bontott fény az objektívreBontott fény az objektívre

(fényképezıgép, (fényképezıgép, webkamerawebkamera))

•• Ismert fényforrás vonalas színképe kalibráláshozIsmert fényforrás vonalas színképe kalibráláshoz

•• Szoftver írható (java, C#)Szoftver írható (java, C#)

44

SpektrumSpektrum

Nehéz megmutatni a látható Nehéz megmutatni a látható tartományon kívültartományon kívül

45

IR fényképezésIR fényképezés

•• A CCD érzékeny a közeli infravörös tartományraA CCD érzékeny a közeli infravörös tartományra

•• Kiküszöbölése: CCD elıtt felülvágó IR szőrıKiküszöbölése: CCD elıtt felülvágó IR szőrı

46


•• Fényképezés 720nmFényképezés 720nm--es IRes IR--szőrıvelszőrıvel

[6] [6] PlaninsicPlaninsic, , GorazdGorazd: A : A photoshootphotoshoot for food and drink: camera ‘sees’ more than you think,for food and drink: camera ‘sees’ more than you think,Physics Education 39 (2004) 32Physics Education 39 (2004) 32--33. o.33. o.

47


•• 720nm, 920nm alulvágó fotós szőrı (10720nm, 920nm alulvágó fotós szőrı (10--12eFt)12eFt)

[7] [7] BodnárnéBodnárné Horváth Ildikó: Álomvilág c. fotója Horváth Ildikó: Álomvilág c. fotója -- http://www.fotozz.hu/teljes_kepet_mutat?Foto_ID=182201http://www.fotozz.hu/teljes_kepet_mutat?Foto_ID=182201

48


•• IR fényképezés szőrı nélkülIR fényképezés szőrı nélkül

•• Otthoni kísérletezés:Otthoni kísérletezés:

Mi átlátszó, mi nemMi átlátszó, mi nem

(fekete üveges anyagok, kóla, szemeteszsák )(fekete üveges anyagok, kóla, szemeteszsák )

Egy másik megvalósítás Egy másik megvalósítás webkamerávalwebkamerával::

http://pilath.fw.huhttp://pilath.fw.hu

49

TimeLapsTimeLaps fényképezésfényképezés

•• TimeLapsTimeLaps ~~ Az idAz idı fényképezéseı fényképezése•• Számítógép + program + fényképezıgépSzámítógép + program + fényképezıgép•• Láthatóvá tehetünk lassú folyamatokat (felhık Láthatóvá tehetünk lassú folyamatokat (felhık

mozgása, növények mozgása, lassú reakciók, mozgása, növények mozgása, lassú reakciók, fázisátalakulások stb.)fázisátalakulások stb.)

VideóVideó

50

Hold keringési idejeHold keringési ideje

•• Két egymást követı napKét egymást követı nap•• Hold delelési ponthoz közelHold delelési ponthoz közel•• Pixeltávolság és fok/pixel váltószám alapján napi Pixeltávolság és fok/pixel váltószám alapján napi

szögelfordulás meghatározhatószögelfordulás meghatározható

51


Váltószám meghatározása:Váltószám meghatározása:

•• Mérıszalag 1mMérıszalag 1m--étét

•• A fényképezıgép 1m távolságraA fényképezıgép 1m távolságra

•• 26,56º26,56º--ra 1207px jutra 1207px jut

•• A váltószám ~ 0,022 A váltószám ~ 0,022 º/pxº/px

52


•• 24 óra alatt 518px >> 11,40 º/nap >> 31,6 nap24 óra alatt 518px >> 11,40 º/nap >> 31,6 nap

•• SzinódikusSzinódikus hónap: 29,53 naphónap: 29,53 nap

53


Mérés pontosítása:Mérés pontosítása:

•• Rögzített pozíció Rögzített pozíció –– a fényképezıgép állványon marada fényképezıgép állványon marad

•• Számítógéprıl vezérelt fényképezésSzámítógéprıl vezérelt fényképezés

•• Elmozdulás meghatározása az állócsillagokhoz képestElmozdulás meghatározása az állócsillagokhoz képest

[8] [8] Hughes, Stephen W.: Measuring the orbital period of the Moon usiHughes, Stephen W.: Measuring the orbital period of the Moon using a digital camera,ng a digital camera,Physics Education 41(2006) 144Physics Education 41(2006) 144--150. o.150. o.

54

Felhasználás elınyeiFelhasználás elınyei

•• Az oktatásban felhasználható képanyagot a diákok Az oktatásban felhasználható képanyagot a diákok készítik el, akár a saját fényképezıgépükkelkészítik el, akár a saját fényképezıgépükkel

•• Digitális formátum Digitális formátum –– könnyen tárolható, bármikor könnyen tárolható, bármikor újra felhasználhatóújra felhasználható

•• Mobilitás Mobilitás –– iskolában, szabadban („iskolában, szabadban („outdooroutdoor physicsphysics”), ”), otthonotthon

•• A tanulók számítástechnikai tudásának kihasználása, A tanulók számítástechnikai tudásának kihasználása, kapcsolódás az informatika, multimédia órákhozkapcsolódás az informatika, multimédia órákhoz

•• Motiváció Motiváció –– kedvezı attitődkedvezı attitőd

(tudás átadása „(tudás átadása „highhigh--techtech” eszközök segítségével)” eszközök segítségével)

55

Ábrák és irodalomÁbrák és irodalom

[1] [1] WikipediaWikipedia -- Internetes szabad lexikon (2009.03.14.)Internetes szabad lexikon (2009.03.14.)http://hu.wikipedia.org/wiki/A_f%C3%A9nyk%C3%A9p%C3%A9szet_t%C3%http://hu.wikipedia.org/wiki/A_f%C3%A9nyk%C3%A9p%C3%A9szet_t%C3%B6rt%C3%A9neteB6rt%C3%A9nete

[2] [2] WikipediaWikipedia –– Internetes szabad lexikon (2006.11.08.)Internetes szabad lexikon (2006.11.08.)http://en.wikipedia.org/wiki/Digital_camera#Historyhttp://en.wikipedia.org/wiki/Digital_camera#History

[3] [3] DavidsonDavidson, , MichaelMichael W. W. andand AbramowitzAbramowitz, , MortimerMortimer: : ConceptsConcepts inin DigitalDigital ImagingImaging TechnologyTechnology, , MolecularMolecularExpressionsTMExpressionsTM honlapja 2006.11.12.honlapja 2006.11.12.http://microscopy.fsu.edu/primer/digitalimaging/concepts/concepthttp://microscopy.fsu.edu/primer/digitalimaging/concepts/concepts.htmls.html

[4] [4] Nagy Krisztián Nagy Krisztián –– Érzékelık 1, Érzékelık 1, Pixinfo.comPixinfo.com (2009.07.06.)(2009.07.06.)http://pixinfo.com/cikkek/fotoelmelet_erzekelok_1http://pixinfo.com/cikkek/fotoelmelet_erzekelok_1

[5] Mark [5] Mark TieleTiele WestraWestra (Fordította: (Fordította: AdorjánnéAdorjánné Farkas Magdolna): Vess egy új pillantást a fényre: készítsd Farkas Magdolna): Vess egy új pillantást a fényre: készítsd el a saját spektroszkópod; el a saját spektroszkópod; ScienceScience inin SchoolSchool -- IssueIssue 44http://www.scienceinschool.org/2007/issue4/spectrometer/hungariahttp://www.scienceinschool.org/2007/issue4/spectrometer/hungariann

[6] [6] PlaninsicPlaninsic, , GorazdGorazd: A : A photoshootphotoshoot forfor foodfood andand drinkdrink: : cameracamera ‘‘seessees’ more ’ more thanthan youyou thinkthink,,PhysicsPhysics EducationEducation 39 (2004) 3239 (2004) 32--33. o.33. o.

[7] [7] BodnárnéBodnárné Horváth Ildikó: Álomvilág c. fotójaHorváth Ildikó: Álomvilág c. fotójahttp://www.fotozz.hu/teljes_kepet_mutat?Foto_ID=182201http://www.fotozz.hu/teljes_kepet_mutat?Foto_ID=182201

[8] [8] HughesHughes, , StephenStephen W.: W.: MeasuringMeasuring thethe orbitalorbital periodperiod ofof thethe MoonMoon usingusing a a digitaldigital cameracamera,,PhysicsPhysics EducationEducation 41(2006) 14441(2006) 144--150. o.150. o.

[9] [9] FurészFurész Gábor: CCD alapismeretek;Gábor: CCD alapismeretek;http://ccd.mcse.hu/ccdalap.htmlhttp://ccd.mcse.hu/ccdalap.html

[10] [10] KaucsárKaucsár Márton: Digitális Márton: Digitális fényképezogépfényképezogép I.I.-- XII.XII.Firka, Az Erdélyi Magyar Firka, Az Erdélyi Magyar MuszakiMuszaki Tudományos Társaság kiadványa, 2002Tudományos Társaság kiadványa, 2002--2004, 12.évf.5.sz.2004, 12.évf.5.sz.--tól tól 14.évf.4.sz.14.évf.4.sz.--ig megjelent cikksorozataig megjelent cikksorozata

[11] [11] ZetieZetie, Ken: , Ken: CheapCheap cameracamera illuminatesilluminates thethe infraredinfraredPhysicsPhysics EducationEducation 41 (2006) 208. o.41 (2006) 208. o.

Környezetünk eszközei és a természettudományos...

Documents

Transcript of Környezetünk eszközei és a természettudományos...