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1、利用延時攝影技術觀察銅鐵置換反響
摘要：以“銅鐵置換反響實驗〞的可視化改進為例，用智能 的延時攝影功能錄制48小時的反響過程，并壓縮成96秒的視頻，使化學反響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;銅鐵置換反響;可視化;實驗改進
文章編號：10056629〔2021〕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響過程易
2、于觀察。
大局部化學反響的速率都較快，其過程本身就易于觀察。但仍然有局部反響速率非常緩慢，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響的全過程。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，由于化學反響速率緩慢，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，金屬與酸反響的傳統(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，難以覺察。
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
3、長〔或太短〕的反響過程壓縮〔或延長〕成幾秒或幾十秒，把過于緩慢〔或快速〕的反響進程快進〔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〔Timelapsephotography〕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
4、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，出于控制本錢、降低難度的需要，延時攝影適合用師生自己的智能 完成，既可以用 自帶的攝影功能拍攝，也可以用“LapseIt〞等免費軟件拍攝。根據(jù)化學反響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〕為錄制化學反響全過程所需的時間，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，
5、通常為系統(tǒng)默認的20、24或30幀/秒。
例如，預計某化學反響共需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“銅鐵置換反響實驗〞為例，介紹延時攝影技術在化學實驗教學中的應用。
傳統(tǒng)的銅鐵置換反響實驗的操作是：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外表淡淡地附著了一層紅色固體，但仍然存在以下缺乏：①銅鐵置換反響是一個緩慢的過程，幾分鐘的實驗僅僅能呈現(xiàn)反響初期
6、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無法證明反響構成了銅鐵原電池。為解決上述問題，本文用延時攝影的技術改進實驗，實現(xiàn)化學反響過程的可視化。
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。如果沒有形狀適宜的鐵塊，可以在柱狀鐵塊一端纏繞膠帶自制，亦可用適宜大小的鐵質(zhì)粗螺栓代替?！?
〔1〕在塑料瓶底部鋪一層硫酸銅粉末，并參加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
7、能 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 設置為飛行模式，關閉鬧鐘，連接充電器。
〔3〕翻開延時攝影軟件，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〔開始反響〕，同時開始錄像。
〔4〕48小時后結束錄像〔亦可根據(jù)反響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。
延時攝影技術在視覺上相當于把化學反響速率“加快〞了1800倍，使動態(tài)變化過程清晰可見。觀看視頻可知，本次銅鐵置換反響大致經(jīng)歷了表1的幾個過程。
上述的改進實驗以水作為反響介質(zhì)，生成的
8、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。在凝膠中的置換反響更加緩慢，需要3～4天的時間。
4延時攝影技術的應用優(yōu)勢
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)了化學反響過程的可視化，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。
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
9、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：銅鐵置換反響的本質(zhì)是銅離子與鐵原子的氧化復原反響，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，反響就不可能進行。因此，延時攝影技術拍攝的實驗結果直接證明了反響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，2021：193～194.
改進[J].中學生物教學，2021，〔Z1〕：79～80.
拍攝功能在物理課堂教學中的應用[J].物理教師，2021，39〔4〕：69～71.
【4】李德前，魏海，張羿.用鐵絲絨做“Fe與CuSO4溶液反響〞的實驗[J].化學教學，2021，〔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，2021，〔4〕：65～68，77.
利用延時攝影技術觀察銅鐵置換反應
