攝影與視頻定量分析在化學實驗中的應用案例

朱彥博 余小燕 凌一洲

摘要： 使用攝影和視頻定量分析技術，可以實現對化學反應速率的定量分析，從而獲得更多有價值的信息。用這種方法分析過氧化氫分解反應的速率和金屬枝晶的生長速率，獲得了在反應過程中速率的變化數據，有助于實驗者更加深入地理解化學現象背后的實質。

關鍵詞： 攝影與視頻定量分析技術; 反應速率; 過氧化氫分解; 金屬枝晶生長; 實驗探究

文章編號： 1005-6629（2021）10-0078-04

中圖分類號： G633.8

文獻標識碼： B

1? 引言

化學實驗的現象常常呈現出豐富多樣的變化，包括反應物和生成物的形狀、體積、位移等。在傳統的實驗中，實驗者通常用肉眼直接觀察現象，以獲得感性的認識。但是，有些反應的速率過快或過慢，或變化過于細微，導致肉眼觀察的結果過于粗略。因此，有研究者利用攝影技術將實驗現象可視化，以獲得更準確的觀察。例如，用延時攝影“加速”鐵的吸氧腐蝕和銅鐵置換反應的進程，用微距攝影放大微型化學實驗的細節現象、觀察乙醇與重鉻酸鉀反應過程中顏色的變化、觀察金屬枝晶的生長過程以及觀察結晶和溶解現象等[1～5]。

盡管攝影技術已經能清晰地呈現出肉眼難以觀察的細節，但對于實驗現象中的運動學規律仍然停留于定性的觀察——先前的研究者通常會每隔一段時間從視頻中截取一張圖片，然后定性比較不同時刻的現象變化。然而這種方法無法實現定量的測量，即無法測量各時刻的位移、速率等數據。例如，觀察金屬枝晶生長的視頻可以發現金屬枝晶在不斷生長，但仍然無法得知金屬枝晶各時刻長度隨時間的變化、枝晶生長的瞬時速率等細節。

為解決這一問題，本文使用攝影與視頻定量分析技術來定量揭示化學實驗現象中的運動學規律。盡管該技術已經在物理教學中得到應用，例如分析平拋運動、圓周運動、自由落體、勻變速直線運動的位移、速度或加速度[6～9]，但國內尚未有過將其應用于化學實驗教學的報道。

2? 攝影與視頻定量分析技術

使用攝影設備和輔助工具將實驗現象拍攝下來，并將視頻導入Tracker等視頻定量分析軟件進行分析。通過對視頻的逐幀分析可以將實驗現象中的運動學規律以數據的形式具體地反映出來，從而實現實驗現象的定量化。

2.1? 設備與軟件

除完成化學實驗所需的材料外，還需要攝影設備、定標物和視頻分析軟件。攝影設備主要包括攝像機或手機、三腳架。如果要對微小現象進行拍攝，可使用微距鏡頭、便攜手機顯微鏡、近攝鏡等工具輔助。如果拍攝環境太暗，也可以使用補光燈進行補光。本文使用尼康D5100攝像機、iphone7 Plus手機進行拍攝。定標物可以是任意長度已知的物體，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

攝影技術用于清晰拍攝實驗現象，需要根據反應速率合理選擇攝像模式以及視頻幀數： 對于速率過慢的反應（例如晶體結晶、金屬枝晶生長等）使用延時攝影模式，否則視頻占用內存過大;對于速率過快的反應（例如大象牙膏實驗）使用慢動作攝影（又稱為高速攝影）模式，使得每秒幀數增加，從而方便進行細致地分析;對于速率適中的反應，使用常速攝影模式即可。

2.3? 視頻定量分析技術

視頻分析技術用于定量分析實驗現象中的運動學規律，本文以Tracker軟件為例展開介紹。Tracker軟件是一個建立于開源物理架構下的影像分析與建模工具，主要是通過分析物理實驗的視頻，追蹤視頻中所研究的質心或質點的運動軌跡，從而簡便高效地得出實驗所需的數據[10]。軟件主要功能為： 通過比例尺還原視頻中物品在現實中的真實長度;可以測量每一幀的位移，從而對反應現象做到細致的分析;自動計算速率和加速度，自動畫出圖像，方便對運動學規律的探究。

Tracker軟件的使用方法如下：

設置定標物： 首先設置一個定標物，可以是刻度尺或拍攝對象本身的某一個部分，測量它的實際長度，將其一起拍攝在視頻中。在分析視頻時可以通過這一已知實際長度的物體來還原拍攝對象真實的長度。

拍攝視頻： 用三腳架固定攝像機或者手機，對準反應現象進行拍攝。

定標： 打開Tracker軟件，先在功能欄的“顯示、隱藏或選擇定標工具”功能中選擇“新建定標桿”，將定標桿的兩個端點準確移到定標物的兩端，輸入該定標物的實際長度，從而完成定標。

創建質點軌跡： 在功能欄中的“創建”功能中選擇“創建質點”，按住“shift”鍵后鼠標左鍵點擊視頻中想要研究對象的位置即可創建一個質點，隨后視頻將自動前往下一幀，重復創建步驟，即可得到一系列質點，從而反映出在某段時間內實驗對象位移的變化。

數據處理： 點擊功能欄中的“顯示、隱藏坐標軸”功能顯示出坐標軸，將坐標軸原點移到想要研究的位置，即可得到實驗研究對象在x、y軸上的真實位移以及運動的速度或加速度，并會自動在右側生成表格和圖像。

3? 實驗案例

3.1? 過氧化氫分解的反應速率

3.1.1? 實驗背景

過氧化氫分解是中學化學中的重要實驗之一。在中學中研究得比較多的是不同催化劑對過氧化氫分解反應速率的影響，而對于速率快慢的標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速率相差較大的現象，而對那些反應速率相近的無法探究。另外，過氧化氫分解產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雜的運動學規律，這些都需要使用更為科學的方法進行分析。

“大象牙膏實驗”是2009年由美國《連線》雜志網站公布的十個最令人驚訝的化學實驗視頻之一，其原理就是過氧化氫的分解。由于過氧化氫分解產生的氧氣是肉眼看不見的，因而使用大象牙膏實驗產生的泡沫的體積來表示生成氧氣的體積，并拍攝反應的視頻，再使用Tracker軟件對視頻進行定量的分析，就可以實現對過氧化氫分解反應速率的定量研究。

3.1.2? 實驗材料與步驟

實驗材料： 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、刻度尺

實驗步驟：

（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，并在一塊白板上用刻度尺畫上標度，豎直固定在量筒旁邊，用于后期的定標。

（4） 用量筒量取1mL新配飽和KI溶液，將其倒入大量筒的同時開始拍攝，直至反應結束。

（5） 拍攝結束后，將視頻導入Tracker軟件中，利用標好刻度的白板進行定標，在泡沫頂端創建質點，進行分析。將坐標軸的原點定在所選取視頻中泡沫的起始高度上，y軸正方向對準泡沫生成的方向，選取視頻中反應的部分每隔5幀進行分析。將質點創建完后，即可得到y-t圖像和Vy-t圖像（y是泡沫生成的高度）。

3.1.3? 實驗結果與討論

實驗結果見圖1。由圖1（a）的y-t和V氣-t圖像可知，大約前5s內泡沫迅速生成，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內急劇增加，在2.2s時達到最大速率9.247cm/s。在2.2～6.6s內又急劇減小，直至0cm/s（即靜止狀態）。經過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。

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，兩者基本成正比關系（忽略溫度等因素的變化）。因此在該實驗中過氧化氫分解產生氧氣的速率也是呈現先快速增加，再快速減小至停止，最終以一個很小的速率基本保持恒定的變化規律。

大象牙膏實驗在倒入催化劑后立即開始劇烈反應，前2.2s內氧氣生成速率不斷快速增長，在2.2s時達到最大值，正是因為在這段時間內氧氣快速生成，大象牙膏才會噴涌而出。而由于反應過快，泡沫上升會將倒入的大部分催化劑頂到泡沫上端，以至于催化劑不能與底端的過氧化氫混合均勻，導致了1.8s的反應停止。但泡沫是疏松多孔的結構，因而上端的催化劑還是會慢慢地流向下方與過氧化氫接觸，產生催化作用使氧氣生成、泡沫上升，但這個速率是很慢的，且由于催化劑接觸的不規律性，這個速率也會產生微小的波動。

3.2? 金屬枝晶的生長速率

3.2.1? 實驗背景

金屬的置換反應是中學化學中的重要反應之一，而傳統的實驗只能看到金屬活動性較弱的金屬從其鹽溶液中置換出來，而其細節的現象及其反應速率的快慢都不能得到很好的體現，因此，需要對該實驗進行可視化設計并通過視頻定量分析技術進行分析，才可得到更多的結論，獲得更好的教學效果。

我們將此反應設計成一個微量化實驗，通過載玻片與蓋玻片將其固定在一個平面上進行反應，并通過微距鏡頭放大反應現象，可清晰地觀察到金屬枝晶生成的細節現象[11，12]。用手機錄下反應視頻后就可以通過Tracker軟件對其枝晶生長的速率進行定量分析。

3.2.2? 實驗材料與步驟

實驗材料： 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、刻度尺、升降臺、滴管、玻璃棒

實驗步驟：

（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，放于升降臺上，調節升降臺高度，使得鏡頭能與載玻片對焦，在載玻片下方墊一黑色背景，使得現象更加清晰。

（4） 拍攝一段反應過程，在視頻最后拍攝一下刻度尺，以方便定標。

（5） 將視頻導入Tracker軟件中，利用最后拍攝的刻度尺進行定標。將坐標軸的原點定在其中一株錫枝晶生長的起點處，x軸正方向對準枝晶生長方向，每隔10s創建質點，進行分析。將質點創建完后，即可得到L-t圖像和vL-t圖像（L是枝晶生長的長度）。本文測量了2根枝晶（如圖2所示）。

3.2.3? 實驗結果與討論

實驗結果如圖3所示。由圖3（a）的L-t圖像可知，錫枝晶始終在持續、緩慢地生長。由圖3（b）的vL-t圖像可知，錫枝晶生長的速率呈略微波動的勻減速運動（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，錫枝晶為導線，隨著反應的進行，原電池正負極橫跨的溶液體積增大，其內阻增加。同時，錫枝晶變長，也相當于導線的電阻增加。而根據能斯特方程，隨著反應進行，Zn2+濃度增大，Sn2+濃度減小，因此鋅錫原電池電動勢減小。電動勢減小，電阻增加，電流就會減小，所以金屬枝晶的生長速率也會呈勻減速減小。

4? 結語

將攝影與視頻定量分析技術應用于化學實驗教學，尚屬國內首次。可以實現以下功能： （1）通過視頻每一幀的取點，將實驗現象轉化為具體的數據，從而實現精確的定量分析。（2）實現對化學反應中質點移動的瞬時速率的測量。這些功能有助于實驗者從實驗中獲取更多有價值的信息，從而推動后續證據推理、模型建構以及宏微結合的教學。

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