27 กรกฎาคม 2556

สนุกกับฟิสิกส์ : หาค่า g โดยการวิเคราะห์ภาพวิดีโอจากโทรศัพท์มือถือ

ครูสอนฟิสิกส์มาสิบกว่าปีแล้ว เครื่องมือการทดลองทางฟิสิกส์ที่ครูใช้สอนเมื่อสิบกว่าปีก่อนยังไง ทุกวันนี้ก็ยังคงเหมือนเดิมแม้เทคโนโลยีจะก้าวหน้าไปถึงขนาดที่ว่าตัวประมวลผลที่นักเรียนใช้ในโทรศัพท์มือถือมีความสามารถสูงกว่าซูเปอร์คอมพิวเตอร์รุ่นแรกๆ แล้วก็ตาม จู่ๆ มาวันหนึ่งลองถามนักเรียนเล่นๆ ว่า ใครมีโทรศัพท์มือถือบ้าง นักเรียนยกมือเกือบทั้งห้องไอ้ที่ไม่ยกมือบอกเครื่องเก่าพังกำลังต่อรองแม่ซื้อเครื่องใหม่ แปลว่ามีร้อยเปอร์เซนต์ ครูถามต่ออีกว่าโทรศัพท์ใครถ่ายคลิปได้บ้าง คราวนี้จำนวนที่ยกก็เท่าเดิม ลองถามดูรุ่นต่างๆ เป็นการส่วนตัวก็พบว่าราคาที่เกินหมื่นนั้นมีอยู่หลายเครื่องทีเดียว  ครูเลยได้ไอเดียว่า เอางี้ดีกว่า เอาโทรศัพท์มือถือมาเล่นสนุกกับฟิสิกส์กันดีกว่า โดยจะเอามาหาค่า g ซึ่งเป็นค่าความเร่งเนื่องจากแรงโน้มถ่วงของโลกมาทดลองกัน เผื่อๆ เอาเอาไปแทนอุปกรณ์ยุคเก่าๆ ได้บ้าง

หาข้อมูลเบื้องต้นเกี่ยวกับกล้องบันทึกภาพของโทรศัพท์เรา

อันดับแรกให้เอากล้องดิจิทัลที่ติดมากับโทรศัพท์ฯของเรา มาทดสอบถ่ายภาพนิ่ง ถ่ายภาพอะไรก็ได้ แล้วแต่ แล้วก็ใช้โปรแกรมเปิดดูภาพถ่ายอะไรก็ได้ เปิดดูข้อมูลภาพ ตัวอย่างที่ครูแสดงให้ดูนี้ก็คือ ครูใช้ FastStoneViewer เมื่อเปิดโปรแกรมดูภาพแล้วให้หารายละเอียดของ Exif ของภาพดู สำหรับ FaststoneViewver ให้เลื่อนเมาส์พ้อยน์เตอร์มาทางขวามือของภาพมันก็จะแสดงรายละเอียดบางอย่างให้เราเห็น


ข้อมูลที่สำคัญมากก็คือความละเอียดของไฟล์ในแง่ของจำนวนพิกเซลในแนวนอนและแนวตั้ง จากที่เห็นในภาพกล้องดิจิทัลจะมีความละเอียด คือ 2048x1536 = 3,145,728 pix หรือประมาณสามล้านพิกเซล ถัดลงมาก็เป็นยี่ห้อของโทรศัพท์ฯ พร้อมทั้งรุ่น ที่สำคัญมากที่ครูอยากชี้ให้เห็นคือ Focal Length และ 35 mm Equivalent ใครไม่มีค่าสองค่านี้จะพบความยากลำบากหน่อย(แต่ก็พอมีวิธี) สำหรับภาพที่ครูได้มานี้ปรากฏว่ากล้องมันให้ข้อมูลมาแค่ Focal Length ซึ่งมึค่าเท่ากับ 4.31 ดังนั้นจึงต้องลำบากต่ออีกหน่อย เพราะที่ต้องการจริงๆ แล้วคือตัวเลขในช่องรายการ 35 mm Equivalent  ถ้าโทรศัพท์ของใครไม่มีสองตัวนี้ก็หยุดไว้แค่นี้ก่อนนะครับ (จะพยายามหาโอกาสมาเขียนแนะนำวิธีการทำต่อสำหรับภาพที่ไม่มีข้อมูลสองตัวนี้)

การหาค่า 35 mm Equivalent

สำหรับภาพของครู ครูยังพอไปต่อได้ สิ่งที่ครูต้องหาต่อคือ ขนาดของเซนเซอร์รับภาพของครูเอง ซึ่งครูเคยจำได้ว่าขนาดของเซนเซอร์ของ LG P500 ตัวนี้มันมีขนาดเท่ากับ Iphone 3 ครูเลยเข้าไปดูที่เว็บนี้ครับ ก็เห็นรายละเอียดขนาดของเซนเซอร์ คือ 3.58x2.69 mm


เรียกได้ว่าครูยังพอมีโชคอยู่บ้าง เพราะตัวเลขนี้จะทำให้เราคำนวณหาตัวคูณได้ วิธีการหาตัวคูณคือ ให้เอาตัวเลขตัวเยอะ (3.59 > 2.69) เป็นตัวหารของ 36 mm ดังนั้นจะได้ 36/3.59 = 10.0 (เอาแค่ทศนิยมหนึ่งตำแหน่งพอ) เมื่อได้ตัวคูณนี้แล้วให้เอาไปคูณกับตัวเลขในช่อง Focal Length ก่อนหน้านี้
จะได้      4.31mmx10=43.1 mm ตัวเลขนี้ ก็คือ 35mm Focal Length นั่นเอง

มุมรับภาพของกล้อง

กล้อง 35 mm เป็นกล้องมาตรฐานที่ได้รับความนิยม ดังนั้นเวลาจะพูดอะไรเกี่ยวกับเรื่องกล้อง จึงมักอ้างอิงค่าต่างๆ จากกล้อง 35 mm เสมอ ที่เราพูดถึงนี่ก็เช่นเดียวกัน การคำนวณต่างๆ จึงต้องมักเกี่ยวข้องกับค่าดังภาพ


สรุปว่าตอนนี้ 35mm Focal Length สำหรับกล้องของครูคือ 43.1 mm

บันทึกภาพการตกของวัตถุแบบเคลื่อนไหว

ขั้นตอนต่อมาก็คือการบันทึกภาพวิดีโอการตกของวัตถุ ซึ่งวิธีการก็ไม่ได้ยากอะไร แต่หากต้องการให้มีความแม่นยำขึ้นมาหน่อย ก็ควรใช้ขาตั้งกล้อง และตัววัดระดับน้ำเพื่อที่จะให้ระนาบของ CCD ของกล้อง ขนานกับการเคลื่อนที่ของวัตถุ แต่สิ่งที่สำคัญที่สุด คือ ระยะระหว่างระนาบของหน้ากล้องกับเส้นการตกของวัตถุ ซึ่งเราต้องใช้ตลับเมตรวัดและต้องวัดอย่างระมัดระวังให้มีความแม่นยำ บันทึกค่าตัวเลขนี้ไว้ ซึ่งครูทำการทดลองที่บ้าน ครูวัดระยะนี้ได้ 157 cm


จากนั้นก็ทำการทดลอง โดยต้องมีคนช่วยปล่อยวัตถุหนึ่งคน อีกคนหนึ่งคอยกดบันทึกวิดีโอคลิป นี่คือ คลิปวิดีโอที่ครูให้ลูกสาวครูช่วย ส่วนครูเป็นคนปล่อยวัตถุ (น็อตเหล็ก)


ทีนี้ก็อัพโหลดไฟล์นี้เข้าคอมพิวเตอร์ ต่อไปงานของเราจะอยู่ที่คอมพิวเตอร์เป็นหลักแล้วล่ะครับ

แต่ก่อนจะไปหัวข้อต่อไป ขอแจ้งรายการซอฟท์แวร์ที่จะนำมาใช้เพื่อการประมวลผลข้อมูล ซึ่งมี 2 โปรแกรม ดังนี้

ฝากให้ไปดาวน์โหลดกันมาก่อนนะครับ คืนนี้ค่อยข้างดึกแล้ว ครูเขียนต่อไม่ไหวแล้ว ก็หยุดแค่นี้ก่อน เดี๋ยวพรุ่งนี้จะมาต่อ วิธีการประมวลผลและคำนวณหาค่า g กัน


ไม่มีความคิดเห็น:

แสดงความคิดเห็น