📸

การบันทึกการเคลื่อนที่ด้วยภาพถ่ายสโตรบ

Recording Motion with Strobe Photographs — Experiment 7

KP Science simulation
Speed 1.0×
เวลา: 0.00 s

🎛 เทคนิคที่ใช้

⚙ ตัวแปรการทดลอง

v₀ รถบูลโดเซอร์ m/s
ความเร่ง a m/s²
Flash rate Hz
ระยะกล้อง-วัตถุ m

📷 การตั้งค่ากล้อง Polaroid

Shutter / EV #
โหมดบันทึกเอง — คลิกบนไม้บรรทัดใต้ภาพสโตรบเพื่อวัดตำแหน่ง (snap อัตโนมัติ)
Exposure: Good

📊 ตารางข้อมูล

#t (s)x (cm)Δx (cm)v (m/s)a (m/s²)
สูตร: v = Δx / Δt  |  a = Δv / Δt  |  Δt = 1/f

📈 กราฟผล

x–t : ตำแหน่งเทียบกับเวลา
v–t : ความเร็วเทียบกับเวลา

📋 วิธีการทดลอง

🎯 จุดประสงค์: นักเรียนเข้าใจวิธีใช้ภาพถ่ายสโตรบ (strobe photography) เพื่อบันทึกการเคลื่อนที่ของวัตถุ โดยถ่ายภาพแบบช่วง ๆ ด้วยเวลาเท่ากัน แล้ววิเคราะห์ตำแหน่ง ความเร็ว และความเร่งจากระยะห่างของภาพ
  1. เตรียมการจำลอง — นักเรียนดู canvas ด้านล่าง Speed slider ซึ่งควบคุมความเร็วของวัตถุที่เคลื่อนที่ (เวลาจริง หรือเพื่อการจำลอง)
  2. เริ่มการเคลื่อนที่ — นักเรียนกดปุ่ม ▶ เริ่มทดลอง เพื่อให้วัตถุเริ่มเคลื่อนที่จากฝั่งซ้ายไปขวา
  3. ถ่ายภาพสโตรบ — ในขณะที่วัตถุเคลื่อนที่ นักเรียนกดปุ่ม 📷 ถ่ายภาพ (Shutter) เป็นช่วง ๆ ในช่วงเวลาประมาณเท่ากัน (เช่น ทุก 0.1 วินาที) เพื่อบันทึกตำแหน่งของวัตถุ
  4. บันทึกตำแหน่ง — ทีละครั้งที่ถ่ายรูป canvas จะแสดงตำแหน่งของวัตถุในรูปแบบที่มอง เทพชั้นทับ (overlay) ด้านบน เนื่องจากแต่ละภาพเป็นช่วงเวลาที่ต่างกัน
  5. อ่านค่าจากตาราง — ด้านซ้ายมือจะมีตารางบันทึก ตำแหน่ง (Position) และ เวลา (Time) นักเรียนบันทึกหรืออ่านค่าจากตารางนี้
  6. คำนวณความเร็ว — นักเรียนคำนวณความเร็วเฉลี่ยจากสูตร v = Δx/Δt โดยเลือกจุดสองจุดติดต่อกัน (หรือจุดที่ห่างกางวางหลายช่วง)
  7. สังเกตความเร่ง — ดูการเปลี่ยนแปลงของระยะห่างระหว่างภาพ: ถ้าระยะห่างเพิ่มขึ้น = วัตถุเร่งความเร็ว; ถ้าเท่ากัน = ความเร็วคงที่; ถ้าลดลง = วัตถุชะลอตัว
  8. ทำซ้ำด้วยความเร็วต่างกัน — กดปุ่ม ↺ รีเซ็ต จากนั้นเปลี่ยน Speed เป็นค่า 0.5, 1.5, 2 เป็นต้น แล้วถ่ายรูปซ้ำ บันทึก 2-3 ชุดข้อมูล
  9. สรุปผล — นักเรียนเปรียบเทียบตำแหน่งและเวลาจากชุดข้อมูลต่าง ๆ แล้วตอบ:
    • ระยะห่างของภาพสะท้อนการเคลื่อนที่อย่างไร?
    • เมื่อความเร็วเพิ่มขึ้น ระยะห่างของภาพจะเปลี่ยนไปอย่างไร?
    • วิธีนี้มีประโยชน์ในการศึกษาการเคลื่อนที่แบบใดบ้าง?
💡 ทดลองเพิ่มเติม: นักเรียนลองใช้เวลาถ่ายภาพที่ไม่เท่ากัน (เช่น ไม่เจออธิบายรายการแบบหลวม ๆ แต่จงคิดถึง) แล้อดูว่าการวิเคราะห์จะเปลี่ยนไปหรือไม่ หรือลองเลือกวัตถุที่มีความเร่งเป็นขั้นตอน และสังเกตว่าระยะห่างของภาพเปลี่ยนไปอย่างไร

🔬 หลักการของ Strobe Photography

Strobe photography หรือการถ่ายภาพแบบ multiple-exposure คือเทคนิคบันทึกตำแหน่งของวัตถุที่เคลื่อนที่ หลาย ๆ ตำแหน่งลงบนฟิล์มแผ่นเดียว โดยการเปิดรับแสงเป็นช่วง ๆ ที่มีเวลาเท่ากัน

หากทราบ ช่วงเวลา (Δt) ระหว่างภาพแต่ละภาพ และ scale factor ระหว่างระยะในภาพกับระยะจริงบนไม้เมตร เราสามารถคำนวณ ความเร็ว และ ความเร่ง ของวัตถุได้

Δt = 1 / f   |   v̄ = Δx / Δt   |   ā = Δv / Δt f = flash rate (Hz) | Δx = ระยะระหว่างภาพติดกัน (m) | v̄ = ความเร็วเฉลี่ยในช่วงนั้น
ภาพจำลอง: วัตถุเคลื่อนที่ความเร็วคงที่ vs เร่ง

▲ ด้านบน = ความเร็วคงที่ (ภาพเว้นระยะเท่า ๆ กัน)  |  ด้านล่าง = ความเร่ง (ระยะห่างระหว่างภาพเพิ่มขึ้นเรื่อย ๆ)

⏱ ความสัมพันธ์ f ↔ Δt

Flash rate (f) คือจำนวนแฟลชต่อวินาที มีหน่วยเป็น เฮิรตซ์ (Hz) ช่วงเวลาระหว่างแฟลชคือ T = Δt = 1/f

f = 5 Hz→ Δt = 0.200 s f = 10 Hz→ Δt = 0.100 s f = 20 Hz→ Δt = 0.050 s f = 30 Hz→ Δt = 0.033 s

การเลือก f: ถ้า f ต่ำไป ภาพจะได้น้อยจุด (วัดยาก) ถ้า f สูงไป ภาพจะซ้อนทับกันแยกไม่ออก โดยทั่วไปเลือกให้ได้ 5–10 จุด ตลอดเส้นทาง

📏 Scale Factor & การวัดจากภาพจริง

ในการทดลองจริง ระยะที่เห็นบนภาพถ่าย ≠ ระยะจริง เพราะกล้องอยู่ห่างจากวัตถุ เราจึงต้องวาง ไม้เมตร (meter stick) ไว้ในแนวทางเดินของวัตถุ เพื่อเป็น reference

Scale = ระยะจริงบนไม้เมตร / ระยะที่วัดบนภาพ เช่น 10 cm จริง = 2.5 cm บนภาพ → scale = 4×

ข้อแนะนำจากเอกสาร: ในการถ่ายวัตถุที่เคลื่อนที่ 1.0 m กล้อง Polaroid ควรตั้งห่างประมาณ 1.4 m เพื่อให้เหตุการณ์ทั้งหมดอยู่ในกรอบ

🛠 3 เทคนิคการทำ Multiple Exposure

1. Xenon Strobe Light

เปิดชัตเตอร์ในห้องมืด แล้วใช้หลอดแฟลช Xenon ยิงแสงเป็นจังหวะสม่ำเสมอ เพื่อบันทึกตำแหน่งวัตถุบนฟิล์ม

2. Blinky (Flasher)

ติดไฟกะพริบเล็ก ๆ ไว้บนตัววัตถุ ถ่ายในห้องมืดโดยเปิดชัตเตอร์ ให้ไฟกะพริบเป็นตัวสร้างจุดแสงบนฟิล์ม

3. Rotating Disc

ส่องแสงต่อเนื่องที่วัตถุ แล้วหมุน จานสโตรบ ที่มีช่องเรเดียล หน้าเลนส์กล้อง ทุกครั้งที่ช่องผ่านเลนส์ = 1 exposure

f_effective (disc) = N × (rpm / 60) N = จำนวนช่องบนจาน | rpm = รอบต่อนาที → เฮิรตซ์

📷 การตั้งค่ากล้อง Polaroid (ตามเอกสาร)

กล้อง Electric-eye

  • ฟิล์ม 3000-speed B&W
  • Film selector = 3000 สำหรับ Xenon strobe
  • Film selector = 75 สำหรับ Blinky / Rotating disc (เลนส์เปิดกว้างขึ้น รับแสงมากขึ้น)

กล้อง Non-electric-eye (รุ่นเก่า)

  • Shutter 1–4: เลนส์เปิดกว้างสุด
  • Shutter 5–8: เลนส์เปิดแคบลง (รับแสงน้อยลง)
  • EV 10–13: เลนส์เปิดกว้าง  |  EV 14–17: เลนส์เปิดแคบ
  • ตั้ง exposure knob ที่ "B" ก่อนทุก exposure (เพื่อให้ชัตเตอร์เปิดค้างขณะกด cable release)

ข้อควรระวัง

  • อย่าเล็ง Xenon strobe ไปที่ฉากหลังมืด — จะเกิด reflection รบกวน
  • ช่องบน rotating disc ต้องเว้นระยะเท่ากัน มิฉะนั้น Δt ไม่สม่ำเสมอ
  • ไม่ควรเปิดชัตเตอร์ต่อหลังวัตถุเคลื่อนออกจากกรอบ (ฉากหลังจะติดมากและคอนทราสต์ลดลง)

🧮 ตัวอย่างคำนวณ

สมมติ flash rate = 10 Hz, บนภาพวัดระยะระหว่างภาพที่ 1→2 ได้ 2.0 cm, 2→3 ได้ 2.0 cm, 3→4 ได้ 2.0 cm

Δt = 1/10 = 0.10 s
v = 0.020 m / 0.10 s = 0.20 m/s (ตลอดเส้นทาง)
a = 0 → เคลื่อนที่ ความเร็วคงที่

ถ้าวัดได้: Δx₁ = 2.0, Δx₂ = 2.5, Δx₃ = 3.0 cm ที่ f = 10 Hz

v₁ = 0.20 m/s, v₂ = 0.25 m/s, v₃ = 0.30 m/s
a = (0.30 − 0.20) / (2 × 0.10) = 0.50 m/s²
→ วัตถุเร่ง

🔑 KP Science — สมาชิก

หรือ
ยังไม่มีบัญชี?
หรือสมัครด้วยอีเมล
มีบัญชีแล้ว?