摄影与视频定量分析在化学实验中的应用案例

朱彦博 余小燕 凌一洲

摘要： 使用摄影和视频定量分析技术，可以实现对化学反应速率的定量分析，从而获得更多有价值的信息。用这种方法分析过氧化氢分解反应的速率和金属枝晶的生长速率，获得了在反应过程中速率的变化数据，有助于实验者更加深入地理解化学现象背后的实质。

关键词： 摄影与视频定量分析技术; 反应速率; 过氧化氢分解; 金属枝晶生长; 实验探究

文章编号： 1005-6629（2021）10-0078-04

中图分类号： G633.8

文献标识码： B

1  引言

化学实验的现象常常呈现出丰富多样的变化，包括反应物和生成物的形状、体积、位移等。在传统的实验中，实验者通常用肉眼直接观察现象，以获得感性的认识。但是，有些反应的速率过快或过慢，或变化过于细微，导致肉眼观察的结果过于粗略。因此，有研究者利用摄影技术将实验现象可视化，以获得更准确的观察。例如，用延时摄影“加速”铁的吸氧腐蚀和铜铁置换反应的进程，用微距摄影放大微型化学实验的细节现象、观察乙醇与重铬酸钾反应过程中颜色的变化、观察金属枝晶的生长过程以及观察结晶和溶解现象等[1～5]。

尽管摄影技术已经能清晰地呈现出肉眼难以观察的细节，但对于实验现象中的运动学规律仍然停留于定性的观察——先前的研究者通常会每隔一段时间从视频中截取一张图片，然后定性比较不同时刻的现象变化。然而这种方法无法实现定量的测量，即无法测量各时刻的位移、速率等数据。例如，观察金属枝晶生长的视频可以发现金属枝晶在不断生长，但仍然无法得知金属枝晶各时刻长度随时间的变化、枝晶生长的瞬时速率等细节。

为解决这一问题，本文使用摄影与视频定量分析技术来定量揭示化学实验现象中的运动学规律。尽管该技术已经在物理教学中得到应用，例如分析平抛运动、圆周运动、自由落体、匀变速直线运动的位移、速度或加速度[6～9]，但国内尚未有过将其应用于化学实验教学的报道。

2  摄影与视频定量分析技术

使用摄影设备和辅助工具将实验现象拍摄下来，并将视频导入Tracker等视频定量分析软件进行分析。通过对视频的逐帧分析可以将实验现象中的运动学规律以数据的形式具体地反映出来，从而实现实验现象的定量化。

2.1  设备与软件

除完成化学实验所需的材料外，还需要摄影设备、定标物和视频分析软件。摄影设备主要包括摄像机或手机、三脚架。如果要对微小现象进行拍摄，可使用微距镜头、便携手机显微镜、近摄镜等工具辅助。如果拍摄环境太暗，也可以使用补光灯进行补光。本文使用尼康D5100摄像机、iphone7 Plus手机进行拍摄。定标物可以是任意长度已知的物体，例如被拍摄画面中的一把刻度尺。视频定量分析软件通常使用Tracker软件。

2.2  摄影技术

摄影技术用于清晰拍摄实验现象，需要根据反应速率合理选择摄像模式以及视频帧数： 对于速率过慢的反应（例如晶体结晶、金属枝晶生长等）使用延时摄影模式，否则视频占用内存过大;对于速率过快的反应（例如大象牙膏实验）使用慢动作摄影（又称为高速摄影）模式，使得每秒帧数增加，从而方便进行细致地分析;对于速率适中的反应，使用常速摄影模式即可。

2.3  视频定量分析技术

视频分析技术用于定量分析实验现象中的运动学规律，本文以Tracker软件为例展开介绍。Tracker软件是一个建立于开源物理架构下的影像分析与建模工具，主要是通过分析物理实验的视频，追踪视频中所研究的质心或质点的运动轨迹，从而简便高效地得出实验所需的数据[10]。软件主要功能为： 通过比例尺还原视频中物品在现实中的真实长度;可以测量每一帧的位移，从而对反应现象做到细致的分析;自动计算速率和加速度，自动画出图像，方便对运动学规律的探究。

Tracker软件的使用方法如下：

设置定标物： 首先设置一个定标物，可以是刻度尺或拍摄对象本身的某一个部分，测量它的实际长度，将其一起拍摄在视频中。在分析视频时可以通过这一已知实际长度的物体来还原拍摄对象真实的长度。

拍摄视频： 用三脚架固定摄像机或者手机，对准反应现象进行拍摄。

定标： 打开Tracker软件，先在功能栏的“显示、隐藏或选择定标工具”功能中选择“新建定标杆”，将定标杆的两个端点准确移到定标物的两端，输入该定标物的实际长度，从而完成定标。

创建质点轨迹： 在功能栏中的“创建”功能中选择“创建质点”，按住“shift”键后鼠标左键点击视频中想要研究对象的位置即可创建一个质点，随后视频将自动前往下一帧，重复创建步骤，即可得到一系列质点，从而反映出在某段时间内实验对象位移的变化。

数据处理： 点击功能栏中的“显示、隐藏坐标轴”功能显示出坐标轴，将坐标轴原点移到想要研究的位置，即可得到实验研究对象在x、y轴上的真实位移以及运动的速度或加速度，并会自动在右侧生成表格和图像。

3  实验案例

3.1  过氧化氢分解的反应速率

3.1.1  实验背景

过氧化氢分解是中学化学中的重要实验之一。在中学中研究得比较多的是不同催化剂对过氧化氢分解反应速率的影响，而对于速率快慢的标度往往是通过肉眼观察气泡生成的快慢或大小。但是，这种方法只适用于比较反应速率相差较大的现象，而对那些反应速率相近的无法探究。另外，过氧化氢分解产生氧气的速率究竟是如何变化的，是匀速还是加速，又或者是其他更為复杂的运动学规律，这些都需要使用更为科学的方法进行分析。

“大象牙膏实验”是2009年由美国《连线》杂志网站公布的十个最令人惊讶的化学实验视频之一，其原理就是过氧化氢的分解。由于过氧化氢分解产生的氧气是肉眼看不见的，因而使用大象牙膏实验产生的泡沫的体积来表示生成氧气的体积，并拍摄反应的视频，再使用Tracker软件对视频进行定量的分析，就可以实现对过氧化氢分解反应速率的定量研究。

3.1.2  实验材料与步骤

实验材料： 30%过氧化氢溶液、洗洁精、新配饱和KI溶液、1000mL量筒、玻璃棒、5mL注射器一支、三脚架、尼康D5100摄像机、刻度尺

实验步骤：

（1） 用量筒量取10mL 30%过氧化氢溶液，倒入烧杯中。

（2） 用注射器取2mL洗洁精，注入烧杯中，用玻璃棒适当搅拌，随后倒入1000mL大量筒中。

（3） 将大量筒放在适宜的位置，在旁边放置好三脚架和摄像机，并在一块白板上用刻度尺画上标度，竖直固定在量筒旁边，用于后期的定标。

（4） 用量筒量取1mL新配饱和KI溶液，将其倒入大量筒的同时开始拍摄，直至反应结束。

（5） 拍摄结束后，将视频导入Tracker软件中，利用标好刻度的白板进行定标，在泡沫顶端创建质点，进行分析。将坐标轴的原点定在所选取视频中泡沫的起始高度上，y轴正方向对准泡沫生成的方向，选取视频中反应的部分每隔5帧进行分析。将质点创建完后，即可得到y-t图像和Vy-t图像（y是泡沫生成的高度）。

3.1.3  实验结果与讨论

实验结果见图1。由图1（a）的y-t和V气-t图像可知，大约前5s内泡沫迅速生成，随后有约3s泡沫几乎不再升高，然后泡沫再持续缓慢地上升。由图1（b）的Vy-t图像可知，泡沫生成的速率在0～2.2s内急剧增加，在2.2s时达到最大速率9.247cm/s。在2.2～6.6s内又急剧减小，直至0cm/s（即静止状态）。经过6.6～8.4s的静止后，再开始缓慢地上升，速率基本恒定但略有波动。

由于泡沫是被生成的氧气充斥而膨胀，故其上升的速率能够近似地反映氧气生成的速率，两者基本成正比关系（忽略温度等因素的变化）。因此在该实验中过氧化氢分解产生氧气的速率也是呈现先快速增加，再快速减小至停止，最终以一个很小的速率基本保持恒定的变化规律。

大象牙膏实验在倒入催化剂后立即开始剧烈反应，前2.2s内氧气生成速率不断快速增长，在2.2s时达到最大值，正是因为在这段时间内氧气快速生成，大象牙膏才会喷涌而出。而由于反应过快，泡沫上升会将倒入的大部分催化剂顶到泡沫上端，以至于催化剂不能与底端的过氧化氢混合均匀，导致了1.8s的反应停止。但泡沫是疏松多孔的结构，因而上端的催化剂还是会慢慢地流向下方与过氧化氢接触，产生催化作用使氧气生成、泡沫上升，但这个速率是很慢的，且由于催化剂接触的不规律性，这个速率也会产生微小的波动。

3.2  金属枝晶的生长速率

3.2.1  实验背景

金属的置换反应是中学化学中的重要反应之一，而传统的实验只能看到金属活动性较弱的金属从其盐溶液中置换出来，而其细节的现象及其反应速率的快慢都不能得到很好的体现，因此，需要对该实验进行可视化设计并通过视频定量分析技术进行分析，才可得到更多的结论，获得更好的教学效果。

我们将此反应设计成一个微量化实验，通过载玻片与盖玻片将其固定在一个平面上进行反应，并通过微距镜头放大反应现象，可清晰地观察到金属枝晶生成的细节现象[11，12]。用手机录下反应视频后就可以通过Tracker软件对其枝晶生长的速率进行定量分析。

3.2.2  实验材料与步骤

实验材料： 0.05mm厚的锌箔、新配饱和氯化亚锡溶液、载玻片、盖玻片、微距镜头、iphone7 Plus手机、刻度尺、升降台、滴管、玻璃棒

实验步骤：

（1） 配制饱和的氯化亚锡溶液，静置至上层有透明清液。

（2） 剪一小片锌箔，将其放置在载玻片上，用滴管吸取氯化亚锡上层清液，滴在锌箔的周围，缓慢盖上盖玻片，使得氯化亚锡溶液将锌箔完全浸没[13]。

（3） 把微距镜头装上手机，放于升降台上，调节升降台高度，使得镜头能与载玻片对焦，在载玻片下方垫一黑色背景，使得现象更加清晰。

（4） 拍摄一段反应过程，在视频最后拍摄一下刻度尺，以方便定标。

（5） 将视频导入Tracker软件中，利用最后拍摄的刻度尺进行定标。将坐标轴的原点定在其中一株锡枝晶生长的起点处，x轴正方向对准枝晶生长方向，每隔10s创建质点，进行分析。将质点创建完后，即可得到L-t图像和vL-t图像（L是枝晶生长的长度）。本文测量了2根枝晶（如图2所示）。

3.2.3  实验结果与讨论

实验结果如图3所示。由图3（a）的L-t图像可知，锡枝晶始终在持续、缓慢地生长。由图3（b）的vL-t图像可知，锡枝晶生长的速率呈略微波动的匀减速运动（L1即图2中的锡枝晶1，L2即图2中的锡枝晶2）。

生成的锡枝晶会和锌箔形成原电池，该原电池以锡枝晶的尖端和锌箔为电极，锡枝晶为导线，随着反应的进行，原电池正负极横跨的溶液体积增大，其内阻增加。同时，锡枝晶变长，也相当于导线的电阻增加。而根据能斯特方程，随着反应进行，Zn2+浓度增大，Sn2+浓度减小，因此锌锡原电池电动势减小。电动势减小，电阻增加，电流就会减小，所以金属枝晶的生长速率也会呈匀减速减小。

4  结语

将摄影与视频定量分析技术应用于化学实验教学，尚属国内首次。可以实现以下功能： （1）通過视频每一帧的取点，将实验现象转化为具体的数据，从而实现精确的定量分析。（2）实现对化学反应中质点移动的瞬时速率的测量。这些功能有助于实验者从实验中获取更多有价值的信息，从而推动后续证据推理、模型建构以及宏微结合的教学。

参考文献：

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