攝影與視頻定量分析在化學(xué)實(shí)驗(yàn)中的應(yīng)用案例

朱彥博 余小燕 凌一洲

摘要： 使用攝影和視頻定量分析技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)化學(xué)反應(yīng)速率的定量分析，從而獲得更多有價(jià)值的信息。用這種方法分析過氧化氫分解反應(yīng)的速率和金屬枝晶的生長(zhǎng)速率，獲得了在反應(yīng)過程中速率的變化數(shù)據(jù)，有助于實(shí)驗(yàn)者更加深入地理解化學(xué)現(xiàn)象背后的實(shí)質(zhì)。

關(guān)鍵詞： 攝影與視頻定量分析技術(shù); 反應(yīng)速率; 過氧化氫分解; 金屬枝晶生長(zhǎng); 實(shí)驗(yàn)探究

文章編號(hào)： 1005-6629（2021）10-0078-04

中圖分類號(hào)： G633.8

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： B

1? 引言

化學(xué)實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)象常常呈現(xiàn)出豐富多樣的變化，包括反應(yīng)物和生成物的形狀、體積、位移等。在傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)中，實(shí)驗(yàn)者通常用肉眼直接觀察現(xiàn)象，以獲得感性的認(rèn)識(shí)。但是，有些反應(yīng)的速率過快或過慢，或變化過于細(xì)微，導(dǎo)致肉眼觀察的結(jié)果過于粗略。因此，有研究者利用攝影技術(shù)將實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象可視化，以獲得更準(zhǔn)確的觀察。例如，用延時(shí)攝影“加速”鐵的吸氧腐蝕和銅鐵置換反應(yīng)的進(jìn)程，用微距攝影放大微型化學(xué)實(shí)驗(yàn)的細(xì)節(jié)現(xiàn)象、觀察乙醇與重鉻酸鉀反應(yīng)過程中顏色的變化、觀察金屬枝晶的生長(zhǎng)過程以及觀察結(jié)晶和溶解現(xiàn)象等[1～5]。

盡管攝影技術(shù)已經(jīng)能清晰地呈現(xiàn)出肉眼難以觀察的細(xì)節(jié)，但對(duì)于實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象中的運(yùn)動(dòng)學(xué)規(guī)律仍然停留于定性的觀察——先前的研究者通常會(huì)每隔一段時(shí)間從視頻中截取一張圖片，然后定性比較不同時(shí)刻的現(xiàn)象變化。然而這種方法無法實(shí)現(xiàn)定量的測(cè)量，即無法測(cè)量各時(shí)刻的位移、速率等數(shù)據(jù)。例如，觀察金屬枝晶生長(zhǎng)的視頻可以發(fā)現(xiàn)金屬枝晶在不斷生長(zhǎng)，但仍然無法得知金屬枝晶各時(shí)刻長(zhǎng)度隨時(shí)間的變化、枝晶生長(zhǎng)的瞬時(shí)速率等細(xì)節(jié)。

為解決這一問題，本文使用攝影與視頻定量分析技術(shù)來定量揭示化學(xué)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象中的運(yùn)動(dòng)學(xué)規(guī)律。盡管該技術(shù)已經(jīng)在物理教學(xué)中得到應(yīng)用，例如分析平拋運(yùn)動(dòng)、圓周運(yùn)動(dòng)、自由落體、勻變速直線運(yùn)動(dòng)的位移、速度或加速度[6～9]，但國(guó)內(nèi)尚未有過將其應(yīng)用于化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的報(bào)道。

2? 攝影與視頻定量分析技術(shù)

使用攝影設(shè)備和輔助工具將實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象拍攝下來，并將視頻導(dǎo)入Tracker等視頻定量分析軟件進(jìn)行分析。通過對(duì)視頻的逐幀分析可以將實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象中的運(yùn)動(dòng)學(xué)規(guī)律以數(shù)據(jù)的形式具體地反映出來，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的定量化。

2.1? 設(shè)備與軟件

除完成化學(xué)實(shí)驗(yàn)所需的材料外，還需要攝影設(shè)備、定標(biāo)物和視頻分析軟件。攝影設(shè)備主要包括攝像機(jī)或手機(jī)、三腳架。如果要對(duì)微小現(xiàn)象進(jìn)行拍攝，可使用微距鏡頭、便攜手機(jī)顯微鏡、近攝鏡等工具輔助。如果拍攝環(huán)境太暗，也可以使用補(bǔ)光燈進(jìn)行補(bǔ)光。本文使用尼康D5100攝像機(jī)、iphone7 Plus手機(jī)進(jìn)行拍攝。定標(biāo)物可以是任意長(zhǎng)度已知的物體，例如被拍攝畫面中的一把刻度尺。視頻定量分析軟件通常使用Tracker軟件。

2.2? 攝影技術(shù)

攝影技術(shù)用于清晰拍攝實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，需要根據(jù)反應(yīng)速率合理選擇攝像模式以及視頻幀數(shù)： 對(duì)于速率過慢的反應(yīng)（例如晶體結(jié)晶、金屬枝晶生長(zhǎng)等）使用延時(shí)攝影模式，否則視頻占用內(nèi)存過大;對(duì)于速率過快的反應(yīng)（例如大象牙膏實(shí)驗(yàn)）使用慢動(dòng)作攝影（又稱為高速攝影）模式，使得每秒幀數(shù)增加，從而方便進(jìn)行細(xì)致地分析;對(duì)于速率適中的反應(yīng)，使用常速攝影模式即可。

2.3? 視頻定量分析技術(shù)

視頻分析技術(shù)用于定量分析實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象中的運(yùn)動(dòng)學(xué)規(guī)律，本文以Tracker軟件為例展開介紹。Tracker軟件是一個(gè)建立于開源物理架構(gòu)下的影像分析與建模工具，主要是通過分析物理實(shí)驗(yàn)的視頻，追蹤視頻中所研究的質(zhì)心或質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡，從而簡(jiǎn)便高效地得出實(shí)驗(yàn)所需的數(shù)據(jù)[10]。軟件主要功能為： 通過比例尺還原視頻中物品在現(xiàn)實(shí)中的真實(shí)長(zhǎng)度;可以測(cè)量每一幀的位移，從而對(duì)反應(yīng)現(xiàn)象做到細(xì)致的分析;自動(dòng)計(jì)算速率和加速度，自動(dòng)畫出圖像，方便對(duì)運(yùn)動(dòng)學(xué)規(guī)律的探究。

Tracker軟件的使用方法如下：

設(shè)置定標(biāo)物： 首先設(shè)置一個(gè)定標(biāo)物，可以是刻度尺或拍攝對(duì)象本身的某一個(gè)部分，測(cè)量它的實(shí)際長(zhǎng)度，將其一起拍攝在視頻中。在分析視頻時(shí)可以通過這一已知實(shí)際長(zhǎng)度的物體來還原拍攝對(duì)象真實(shí)的長(zhǎng)度。

拍攝視頻： 用三腳架固定攝像機(jī)或者手機(jī)，對(duì)準(zhǔn)反應(yīng)現(xiàn)象進(jìn)行拍攝。

定標(biāo)： 打開Tracker軟件，先在功能欄的“顯示、隱藏或選擇定標(biāo)工具”功能中選擇“新建定標(biāo)桿”，將定標(biāo)桿的兩個(gè)端點(diǎn)準(zhǔn)確移到定標(biāo)物的兩端，輸入該定標(biāo)物的實(shí)際長(zhǎng)度，從而完成定標(biāo)。

創(chuàng)建質(zhì)點(diǎn)軌跡： 在功能欄中的“創(chuàng)建”功能中選擇“創(chuàng)建質(zhì)點(diǎn)”，按住“shift”鍵后鼠標(biāo)左鍵點(diǎn)擊視頻中想要研究對(duì)象的位置即可創(chuàng)建一個(gè)質(zhì)點(diǎn)，隨后視頻將自動(dòng)前往下一幀，重復(fù)創(chuàng)建步驟，即可得到一系列質(zhì)點(diǎn)，從而反映出在某段時(shí)間內(nèi)實(shí)驗(yàn)對(duì)象位移的變化。

數(shù)據(jù)處理： 點(diǎn)擊功能欄中的“顯示、隱藏坐標(biāo)軸”功能顯示出坐標(biāo)軸，將坐標(biāo)軸原點(diǎn)移到想要研究的位置，即可得到實(shí)驗(yàn)研究對(duì)象在x、y軸上的真實(shí)位移以及運(yùn)動(dòng)的速度或加速度，并會(huì)自動(dòng)在右側(cè)生成表格和圖像。

3? 實(shí)驗(yàn)案例

3.1? 過氧化氫分解的反應(yīng)速率

3.1.1? 實(shí)驗(yàn)背景

過氧化氫分解是中學(xué)化學(xué)中的重要實(shí)驗(yàn)之一。在中學(xué)中研究得比較多的是不同催化劑對(duì)過氧化氫分解反應(yīng)速率的影響，而對(duì)于速率快慢的標(biāo)度往往是通過肉眼觀察氣泡生成的快慢或大小。但是，這種方法只適用于比較反應(yīng)速率相差較大的現(xiàn)象，而對(duì)那些反應(yīng)速率相近的無法探究。另外，過氧化氫分解產(chǎn)生氧氣的速率究竟是如何變化的，是勻速還是加速，又或者是其他更為復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)學(xué)規(guī)律，這些都需要使用更為科學(xué)的方法進(jìn)行分析。

“大象牙膏實(shí)驗(yàn)”是2009年由美國(guó)《連線》雜志網(wǎng)站公布的十個(gè)最令人驚訝的化學(xué)實(shí)驗(yàn)視頻之一，其原理就是過氧化氫的分解。由于過氧化氫分解產(chǎn)生的氧氣是肉眼看不見的，因而使用大象牙膏實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的泡沫的體積來表示生成氧氣的體積，并拍攝反應(yīng)的視頻，再使用Tracker軟件對(duì)視頻進(jìn)行定量的分析，就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)過氧化氫分解反應(yīng)速率的定量研究。

3.1.2? 實(shí)驗(yàn)材料與步驟

實(shí)驗(yàn)材料： 30%過氧化氫溶液、洗潔精、新配飽和KI溶液、1000mL量筒、玻璃棒、5mL注射器一支、三腳架、尼康D5100攝像機(jī)、刻度尺

實(shí)驗(yàn)步驟：

（1） 用量筒量取10mL 30%過氧化氫溶液，倒入燒杯中。

（2） 用注射器取2mL洗潔精，注入燒杯中，用玻璃棒適當(dāng)攪拌，隨后倒入1000mL大量筒中。

（3） 將大量筒放在適宜的位置，在旁邊放置好三腳架和攝像機(jī)，并在一塊白板上用刻度尺畫上標(biāo)度，豎直固定在量筒旁邊，用于后期的定標(biāo)。

（4） 用量筒量取1mL新配飽和KI溶液，將其倒入大量筒的同時(shí)開始拍攝，直至反應(yīng)結(jié)束。

（5） 拍攝結(jié)束后，將視頻導(dǎo)入Tracker軟件中，利用標(biāo)好刻度的白板進(jìn)行定標(biāo)，在泡沫頂端創(chuàng)建質(zhì)點(diǎn)，進(jìn)行分析。將坐標(biāo)軸的原點(diǎn)定在所選取視頻中泡沫的起始高度上，y軸正方向?qū)?zhǔn)泡沫生成的方向，選取視頻中反應(yīng)的部分每隔5幀進(jìn)行分析。將質(zhì)點(diǎn)創(chuàng)建完后，即可得到y(tǒng)-t圖像和Vy-t圖像（y是泡沫生成的高度）。

3.1.3? 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖1。由圖1（a）的y-t和V氣-t圖像可知，大約前5s內(nèi)泡沫迅速生成，隨后有約3s泡沫幾乎不再升高，然后泡沫再持續(xù)緩慢地上升。由圖1（b）的Vy-t圖像可知，泡沫生成的速率在0～2.2s內(nèi)急劇增加，在2.2s時(shí)達(dá)到最大速率9.247cm/s。在2.2～6.6s內(nèi)又急劇減小，直至0cm/s（即靜止?fàn)顟B(tài)）。經(jīng)過6.6～8.4s的靜止后，再開始緩慢地上升，速率基本恒定但略有波動(dòng)。

由于泡沫是被生成的氧氣充斥而膨脹，故其上升的速率能夠近似地反映氧氣生成的速率，兩者基本成正比關(guān)系（忽略溫度等因素的變化）。因此在該實(shí)驗(yàn)中過氧化氫分解產(chǎn)生氧氣的速率也是呈現(xiàn)先快速增加，再快速減小至停止，最終以一個(gè)很小的速率基本保持恒定的變化規(guī)律。

大象牙膏實(shí)驗(yàn)在倒入催化劑后立即開始劇烈反應(yīng)，前2.2s內(nèi)氧氣生成速率不斷快速增長(zhǎng)，在2.2s時(shí)達(dá)到最大值，正是因?yàn)樵谶@段時(shí)間內(nèi)氧氣快速生成，大象牙膏才會(huì)噴涌而出。而由于反應(yīng)過快，泡沫上升會(huì)將倒入的大部分催化劑頂?shù)脚菽隙耍灾劣诖呋瘎┎荒芘c底端的過氧化氫混合均勻，導(dǎo)致了1.8s的反應(yīng)停止。但泡沫是疏松多孔的結(jié)構(gòu)，因而上端的催化劑還是會(huì)慢慢地流向下方與過氧化氫接觸，產(chǎn)生催化作用使氧氣生成、泡沫上升，但這個(gè)速率是很慢的，且由于催化劑接觸的不規(guī)律性，這個(gè)速率也會(huì)產(chǎn)生微小的波動(dòng)。

3.2? 金屬枝晶的生長(zhǎng)速率

3.2.1? 實(shí)驗(yàn)背景

金屬的置換反應(yīng)是中學(xué)化學(xué)中的重要反應(yīng)之一，而傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)只能看到金屬活動(dòng)性較弱的金屬?gòu)钠潲}溶液中置換出來，而其細(xì)節(jié)的現(xiàn)象及其反應(yīng)速率的快慢都不能得到很好的體現(xiàn)，因此，需要對(duì)該實(shí)驗(yàn)進(jìn)行可視化設(shè)計(jì)并通過視頻定量分析技術(shù)進(jìn)行分析，才可得到更多的結(jié)論，獲得更好的教學(xué)效果。

我們將此反應(yīng)設(shè)計(jì)成一個(gè)微量化實(shí)驗(yàn)，通過載玻片與蓋玻片將其固定在一個(gè)平面上進(jìn)行反應(yīng)，并通過微距鏡頭放大反應(yīng)現(xiàn)象，可清晰地觀察到金屬枝晶生成的細(xì)節(jié)現(xiàn)象[11，12]。用手機(jī)錄下反應(yīng)視頻后就可以通過Tracker軟件對(duì)其枝晶生長(zhǎng)的速率進(jìn)行定量分析。

3.2.2? 實(shí)驗(yàn)材料與步驟

實(shí)驗(yàn)材料： 0.05mm厚的鋅箔、新配飽和氯化亞錫溶液、載玻片、蓋玻片、微距鏡頭、iphone7 Plus手機(jī)、刻度尺、升降臺(tái)、滴管、玻璃棒

實(shí)驗(yàn)步驟：

（1） 配制飽和的氯化亞錫溶液，靜置至上層有透明清液。

（2） 剪一小片鋅箔，將其放置在載玻片上，用滴管吸取氯化亞錫上層清液，滴在鋅箔的周圍，緩慢蓋上蓋玻片，使得氯化亞錫溶液將鋅箔完全浸沒[13]。

（3） 把微距鏡頭裝上手機(jī)，放于升降臺(tái)上，調(diào)節(jié)升降臺(tái)高度，使得鏡頭能與載玻片對(duì)焦，在載玻片下方墊一黑色背景，使得現(xiàn)象更加清晰。

（4） 拍攝一段反應(yīng)過程，在視頻最后拍攝一下刻度尺，以方便定標(biāo)。

（5） 將視頻導(dǎo)入Tracker軟件中，利用最后拍攝的刻度尺進(jìn)行定標(biāo)。將坐標(biāo)軸的原點(diǎn)定在其中一株錫枝晶生長(zhǎng)的起點(diǎn)處，x軸正方向?qū)?zhǔn)枝晶生長(zhǎng)方向，每隔10s創(chuàng)建質(zhì)點(diǎn)，進(jìn)行分析。將質(zhì)點(diǎn)創(chuàng)建完后，即可得到L-t圖像和vL-t圖像（L是枝晶生長(zhǎng)的長(zhǎng)度）。本文測(cè)量了2根枝晶（如圖2所示）。

3.2.3? 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。由圖3（a）的L-t圖像可知，錫枝晶始終在持續(xù)、緩慢地生長(zhǎng)。由圖3（b）的vL-t圖像可知，錫枝晶生長(zhǎng)的速率呈略微波動(dòng)的勻減速運(yùn)動(dòng)（L1即圖2中的錫枝晶1，L2即圖2中的錫枝晶2）。

生成的錫枝晶會(huì)和鋅箔形成原電池，該原電池以錫枝晶的尖端和鋅箔為電極，錫枝晶為導(dǎo)線，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，原電池正負(fù)極橫跨的溶液體積增大，其內(nèi)阻增加。同時(shí)，錫枝晶變長(zhǎng)，也相當(dāng)于導(dǎo)線的電阻增加。而根據(jù)能斯特方程，隨著反應(yīng)進(jìn)行，Zn2+濃度增大，Sn2+濃度減小，因此鋅錫原電池電動(dòng)勢(shì)減小。電動(dòng)勢(shì)減小，電阻增加，電流就會(huì)減小，所以金屬枝晶的生長(zhǎng)速率也會(huì)呈勻減速減小。

4? 結(jié)語

將攝影與視頻定量分析技術(shù)應(yīng)用于化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)，尚屬國(guó)內(nèi)首次?？梢詫?shí)現(xiàn)以下功能： （1）通過視頻每一幀的取點(diǎn)，將實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象轉(zhuǎn)化為具體的數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)精確的定量分析。（2）實(shí)現(xiàn)對(duì)化學(xué)反應(yīng)中質(zhì)點(diǎn)移動(dòng)的瞬時(shí)速率的測(cè)量。這些功能有助于實(shí)驗(yàn)者從實(shí)驗(yàn)中獲取更多有價(jià)值的信息，從而推動(dòng)后續(xù)證據(jù)推理、模型建構(gòu)以及宏微結(jié)合的教學(xué)。

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