利用延時攝影技術觀察銅鐵置換反應

李娟　凌一洲　李德前

摘要： 以“銅鐵置換反應實驗”的可視化改進為例，用智能手機的延時攝影功能錄制48小時的反應過程，并壓縮成96秒的視頻，使化學反應的完整過程清晰直觀地呈現(xiàn)。延時攝影技術為實驗者提供了更感性的體驗和更豐富的直觀材料，適合應用于化學實驗教學。

關鍵詞： 延時攝影; 銅鐵置換反應; 可視化; 實驗改進

文章編號： 10056629（2019）10006703中圖分類號： G633.8文獻標識碼： B

1 過程可視化的概念與作用

“可視化”是指利用一系列方法，讓原本不可見的事物可以被看見。化學實驗中的“過程可視化”是指通過某些技術方法的改進，讓原本不便于觀察的化學反應過程易于觀察。

大部分化學反應的速率都較快，其過程本身就易于觀察。但仍然有部分反應速率非常緩慢，長達幾十分鐘、幾小時甚至幾天，耗時過長不便于實驗者直觀地感受反應的全過程。一方面，受到現(xiàn)實條件的限制，實驗者無法長時間地集中精力，連續(xù)地觀察現(xiàn)象;另一方面，由于化學反應速率緩慢，許多變化都在不知不覺中發(fā)生，即使實驗者連續(xù)地觀察也很難辨識。例如，溶液的蒸發(fā)結晶過程非常緩慢，實驗者往往只能觀察到結晶的結果和幾個孤立的片段;又如，金屬與酸反應的傳統(tǒng)實驗中，雖然生成氣體的過程迅速而明顯，但金屬體積減小的過程卻非常緩慢，難以察覺。

因此，化學實驗的過程可視化就是利用延時攝影（或高速攝影）等技術手段，把時間跨度太長（或太短）的反應過程壓縮（或延長）成幾秒或幾十秒，把過于緩慢（或快速）的反應進程快進（或慢放）成便于肉眼識別的速率。

2 延時攝影技術的研究概述

延時攝影（Timelapse photography）又稱縮時攝影，是以一種將時間壓縮的拍攝技術。延時攝影通常應用于拍攝城市風光、自然風景、天文現(xiàn)象、城市生活、建筑制造、生物演變等題材上[1]。近年來也出現(xiàn)于物理、生物實驗教學中，例如李中原[2]等利用延時攝影技術拍攝緩慢的滲透作用實驗，王蕾[3]用延時攝影技術觀察氣體（固體）的擴散現(xiàn)象。在化學領域，“美麗科學”團隊用高清攝像機創(chuàng)作的《美麗化學》《重現(xiàn)化學》系列影片都利用了延時攝影技術，通過影像的快速變化創(chuàng)造出強烈的視覺沖擊。但是，尚未有文獻介紹適合中學化學實驗教學應用的延時攝影的具體方法。

應用在中學化學實驗教學中時，出于控制成本、降低難度的需要，延時攝影適合用師生自己的智能手機完成，既可以用手機自帶的攝影功能拍攝，也可以用“Lapse It”等免費軟件拍攝。根據(jù)化學反應速率和實驗者觀察需求的不同，需要自行設置不同的參數(shù)，其計算式為：

式中： 視頻時長（秒）為最終呈現(xiàn)視頻的時長;錄像時長（秒）為錄制化學反應全過程所需的時間，需要實驗者預估;各幀間隔時間（秒/幀）為攝像機每拍1幀所間隔的時間，需要實驗者事先設定;視頻幀速率（幀/秒）為最終視頻每秒播放的幀數(shù)，它決定了最終視頻的流暢度，通常為系統(tǒng)默認的20、 24或30幀/秒。

例如，預計某化學反應共需48小時（錄像時長172800秒），實驗者希望把該過程壓縮到1.6分鐘來觀看（視頻時長96秒），采用系統(tǒng)默認流暢度（視頻幀率30幀/秒），通過計算可知，應該設置各幀間隔時間為60秒/幀。

3 延時攝影技術的實驗應用

本文以“銅鐵置換反應實驗”為例，介紹延時攝影技術在化學實驗教學中的應用。

3.1 實驗背景

傳統(tǒng)的銅鐵置換反應實驗的操作是： 把鐵釘放入盛有硫酸銅溶液的試管中，由實驗者手持試管，用肉眼直接觀察。該方法通常能觀察到鐵釘表面淡淡地附著了一層紅色固體，但仍然存在以下不足： ①銅鐵置換反應是一個緩慢的過程，幾分鐘的實驗僅僅能呈現(xiàn)反應初期的現(xiàn)象，而非完整過程;②生成金屬銅的量很少，其細節(jié)形態(tài)無法觀察;③生成的硫酸亞鐵溶液顏色非常淺，且容易被氧化，很難觀察到淺綠色[4];④無法證明反應構成了銅鐵原電池。為解決上述問題，本文用延時攝影的技術改進實驗，實現(xiàn)化學反應過程的可視化。

3.2 實驗用品

試劑和儀器： 硫酸銅、鐵塊、透明塑料瓶或玻璃瓶（20～30mL）、滴管（注： 鐵塊呈階梯軸形，細端能夠伸入瓶口而粗端不能，如圖1所示。如果沒有形狀合適的鐵塊，可以在柱狀鐵塊一端纏繞膠帶自制，亦可用合適大小的鐵質(zhì)粗螺栓代替。）

3.3 實驗步驟

（1） 在塑料瓶底部鋪一層硫酸銅粉末，并加入飽和硫酸銅溶液至接近瓶口。把塑料瓶放在遠離擾動的桌面上，調(diào)整光線背景。

（2） 把智能手機安裝在三腳架上，攝像頭對焦塑料瓶（見圖2）。預測錄像時間為48小時，為防止錄像中斷，把手機設置為飛行模式，關閉鬧鐘，連接充電器。

（3） 打開延時攝影軟件，通過計算，設置各幀間隔時間為60秒/幀（視頻幀速率為默認的30幀/秒）。把鐵塊倒扣于塑料瓶口（開始反應），同時開始錄像。

（4） 48小時后結束錄像（亦可根據(jù)反應實際進程提前或延期結束）。延時攝影技術自動把48小時的過程壓縮成1.6分鐘。

3.4 實驗結果與討論

延時攝影技術在視覺上相當于把化學反應速率“加快”了1800倍，使動態(tài)變化過程清晰可見。觀看視頻可知，本次銅鐵置換反應大致經(jīng)歷了表1的幾個過程。

3.5 實驗拓展

上述的改進實驗以水作為反應介質(zhì)，生成的金屬銅容易受到氣泡的擾動而脫落。如果用瓊脂凝膠代替水作為介質(zhì)，就能使金屬銅的生長環(huán)境更加堅韌，有時可以持續(xù)穩(wěn)定地向下延伸（見圖3），直至把底部的硫酸銅固體全部消耗，與鐘乳石的生長過程類似。在凝膠中的置換反應更加緩慢，需要3～4天的時間。

4 延時攝影技術的應用優(yōu)勢

4.1 更感性的體驗

傳統(tǒng)的教師演示只允許學生粗略地瀏覽現(xiàn)象，學生對化學實驗缺少感性認識。延時攝影技術的改進實現(xiàn)了化學反應過程的可視化，通過時間的變幻創(chuàng)造強烈的視覺沖擊，給予學生嶄新的視覺體驗，有利于激發(fā)學生學習興趣和探究熱情。

4.2 更豐富的直觀材料

在傳統(tǒng)實驗中，學生憑借肉眼觀察，獲得的信息非常有限。經(jīng)過延時攝影技術的改進，學生可以獲得更豐富的直觀材料，為分析、解釋實驗提供支持;同時，延時攝影技術也為學生的探究活動提供了獲得證據(jù)的方法[5]。例如，經(jīng)過改進的銅鐵置換實驗可以直接證明原電池的存在： 銅鐵置換反應的本質(zhì)是銅離子與鐵原子的氧化還原反應，而銅離子（分界面下方）與鐵塊（分界面上方）不直接接觸，如果不存在原電池，電子的轉移就無法發(fā)生，反應就不可能進行。因此，延時攝影技術拍攝的實驗結果直接證明了反應體系必須構成原電池，以金屬銅作為導線傳遞電子。

參考文獻：

[1]構圖君. 慢門、 延時、 夜景攝影從入門到精通[M]. 北京： 清華大學出版社， 2018： 193～194.

[2]李中原， 董婉瑩， 柳丹. 用蛋白質(zhì)鈉鹽溶液代替蔗糖溶液對滲透裝置進行改良[J]. 中學生物教學， 2018， （Z1）： 79～80.

[3]王蕾. 智能手機拍攝功能在物理課堂教學中的應用[J]. 物理教師， 2018， 39（4）： 69～71.

[4]李德前， 魏海， 張羿. 用鐵絲絨做“Fe與CuSO4溶液反應”的實驗[J]. 化學教學， 2018， （11）： 78～80.

[5]李德前， 魏海， 李偉等. 從化學實驗創(chuàng)新談培養(yǎng)師生的科學精神[J]. 化學教學， 2018， （4）： 65～68， 77.