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利用延時攝影技術(shù)觀察銅鐵置換反應(yīng)

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1、利用延時攝影技術(shù)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(jìn)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(xué)反響的完整過程清晰直觀地呈現(xiàn)。延時攝影技術(shù)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(yīng)用于化學(xué)實驗教學(xué)。 關(guān)鍵詞:延時攝影;銅鐵置換反響;可視化;實驗改進(jìn) 文章編號:10056629〔2021〕10006703中圖分類號:G633.8文獻(xiàn)標(biāo)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(xué)實驗中的“過程可視化〞是指通過某些技術(shù)方法的改進(jìn),讓原本不便于觀察的化學(xué)反響過程易

2、于觀察。 大局部化學(xué)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(dá)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(xué)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(jié)晶過程非常緩慢,實驗者往往只能觀察到結(jié)晶的結(jié)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(xué)實驗的過程可視化就是利用延時攝影〔或高速攝影〕等技術(shù)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(jìn)程快進(jìn)〔或慢放〕成便于肉眼識別的速率。 2延時攝影技術(shù)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(shù)。延時攝影通常應(yīng)用于拍攝城市風(fēng)光、自然風(fēng)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(xué)中,例如李中原【2】等利用延時攝影技術(shù)拍攝緩慢的滲透作用實驗,王蕾【3】用延時攝影技術(shù)觀察氣體〔固體〕的擴(kuò)散現(xiàn)象。在化學(xué)領(lǐng)域,“美麗科學(xué)〞團(tuán)隊用高清攝像機(jī)創(chuàng)作的?美麗化學(xué)??重現(xiàn)化學(xué)?系列影片都利用了延時攝影技術(shù),通過影像的快

4、速變化創(chuàng)造出強(qiáng)烈的視覺沖擊。但是,尚未有文獻(xiàn)介紹適合中學(xué)化學(xué)實驗教學(xué)應(yīng)用的延時攝影的具體方法。 應(yīng)用在中學(xué)化學(xué)實驗教學(xué)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(xué)反響速率和實驗者觀察需求的不同,需要自行設(shè)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(xué)反響全過程所需的時間,需要實驗者預(yù)估;各幀間隔時間〔秒/幀〕為攝像機(jī)每拍1幀所間隔的時間,需要實驗者事先設(shè)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(rèn)的20、24或30幀/秒。 例如,預(yù)計某化學(xué)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(rèn)流暢度〔視頻幀率30幀/秒〕,通過計算可知,應(yīng)該設(shè)置各幀間隔時間為60秒/幀。 3延時攝影技術(shù)的實驗應(yīng)用 本文以“銅鐵置換反響實驗〞為例,介紹延時攝影技術(shù)在化學(xué)實驗教學(xué)中的應(yīng)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(xì)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(gòu)成了銅鐵原電池。為解決上述問題,本文用延時攝影的技術(shù)改進(jìn)實驗,實現(xiàn)化學(xué)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(xì)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(yuǎn)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(yù)測錄像時間為48小時,為防止錄像中斷,把 設(shè)置為飛行模式,關(guān)閉鬧鐘,連接充電器。 〔3〕翻開延時攝影軟件,通過計算,設(shè)置各幀間隔時間為60秒/幀〔視頻幀速率為默認(rèn)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(jié)束錄像〔亦可根據(jù)反響實際進(jìn)程提前或延期結(jié)束〕。延時攝影技術(shù)自動把48小時的過程壓縮成1.6分鐘。 延時攝影技術(shù)在視覺上相當(dāng)于把化學(xué)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(jìn)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(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢 傳統(tǒng)的教師演示只允許學(xué)生粗略地瀏覽現(xiàn)象,學(xué)生對化學(xué)實驗缺少感性認(rèn)識。延時攝影技術(shù)的改進(jìn)實現(xiàn)了化學(xué)反響過程的可視化,通過時間的變幻創(chuàng)造強(qiáng)烈的視覺沖擊,給予學(xué)生嶄新的視覺體驗,有利于激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和探究熱情。 豐富的直觀材料 在傳統(tǒng)實驗中,學(xué)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(shù)的改進(jìn),學(xué)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(shù)也為學(xué)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(jìn)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(fù)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(zhuǎn)移就無法發(fā)生,反響就不可能進(jìn)行。因此,延時攝影技術(shù)拍攝的實驗結(jié)果直接證明了反響體系必須構(gòu)成原電池,以金屬銅作為導(dǎo)線傳遞電子。 參考文獻(xiàn): 【1】構(gòu)圖君.慢門、延時、夜景攝影從入門到精通[M].北京:清華大學(xué)出版社,2021:193~194. 改進(jìn)[J].中學(xué)生物教學(xué),2021,〔Z1〕:79~80. 拍攝功能在物理課堂教學(xué)中的應(yīng)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(xué)教學(xué),2021,〔11〕:78~80. 【5】李德前,魏海,李偉等.從化學(xué)實驗創(chuàng)新談培養(yǎng)師生的科學(xué)精神[J].化學(xué)教學(xué),2021,〔4〕:65~68,77.

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