化学平衡图像范文
时间：2023-10-28 01:48:40
化学平衡图像篇1
关键词：化学图像题 ； 离子反应； 化学平衡
化学图像题是一种重要的化学题型，它能考查学生分析图像、知识应用、归纳综合信息等多方面的能力。化学图像题的这一特点，使得它倍受命题人的青睐。平时教学中也可适时、恰当地使用化学图像题对学生理解所学的知识点也是大有帮助的。本文主要介绍两种常见类型的化学图像题：一类是离子反应图像题；一类是化学平衡图像题。
一、离子反应图像题
离子反应图像题是将离子反应的相关信息用图像的形式形象地表达出来的一类化学题。解答这类题的关键在于根据图像，分析离子反应过程。当然，不同图像的解析方法和技巧是不同的。以下笔者例举几种常见类型的解析方法和技巧。
1、有关气体生成量的离子反应图像题。
例1 将2.5g Na2CO3、NaHCO3、NaOH的固体混合物完全溶解于水，制成溶液，然后向该溶液中逐滴加入1mol・L-1的盐酸，所加入的盐酸体积与产生CO2的体积（标准状况）关系如下图所示：
（1）写出OA段所发生反应的离子方程式 。
（2）当加入35mL盐酸时，产生CO2的体积为mL（标准状况）。
（3）计算原混合物中NaOH的质量及Na2CO3的质量分数。
解析：由题图可知OA段没有产生CO2气体，故发生的反应为：
H++OH-=H2O，CO2-3+H+=HCO-3 。
当加入35mL盐酸时，只有10mL盐酸发生了反应HCO-3+H+=CO2+H2O，故V（CO2）=1mol・L-1×0.01L×22.4L・mol-1×103mL・L-1=224mL。
设Na2CO3、NaHCO3、NaOH的物质的量分别为x、y、z，则有： 106g・mol-1×x+84g・mol-1×y+40g・mol-1×z=2.5gx+y=1mol・L-1×（0.045-0.025）Lx+z=1mol・L-1×0.025L
解得：x=0.01mol，y=0.01mol，z=0.015mol
所以m（NaOH）=40g・mol-1×0.015=0.6g
ω（Na2CO3）=0.01mol×106g/mol2.5g×100=42.4。
2、有关离子生成量的离子反应图像题。
例2 某稀溶液中含有Fe（NO3）3、Cu（NO3）2、HNO3，若向其中逐渐加入铁粉，溶液中Fe2+浓度和加入铁粉的物质的量之间的关系如图所示。则稀溶液中Fe（NO3）3、Cu（NO3）2、HNO3物质的量浓度之比为 。
解析：据氧化性由强到弱的顺序HNO3>Fe3+>Cu2+，可知随铁粉的增加，反应的方程式分别为：
4HNO3（稀）+Fe=Fe（NO3）3+NO+2H2O
4mol 1mol 1mol
2Fe（NO3）3+Fe=3Fe（NO3）2
2mol 1mol 3mol
Cu（NO3）2+Fe=Fe（NO3）2+Cu
1mol 1mol 1mol
所以原溶液中，Fe（NO3）3、Cu（NO3）2、HNO3的物质的量之比即物质的量浓度之比为：（2mol-1mol）：1mol：4mol=1：1：4。
二、化学平衡图像题
化学平衡图像题是考试中常见的一类题型，解这类题有“三步曲”：
（1）看懂图像：看图像要五看。一看面，即看清横坐标和纵坐标；二看线，即看线的走向、变化趋势；三看点，即看曲线的起点、重点、交点、拐点、原点、极值点等；四看要不要作辅助线，如等温线、等压线；五看定量图像中有关量的多少。
（2）联想规律：联想外界条件对化学反应速率和化学平衡的影响规律。
（3）推理判断：结合题中给定的化学反应和图像中的相关信息，根据有关知识规律分析作出判断。
此外，解化学平衡图像题还有两个原则：
（1）“定一议二”原则：在化学平衡图像中，包括横坐标、纵坐标和曲线所表示的三个量，先确定横坐标（或纵坐标）所表示的量，再讨论纵坐标（或横坐标）与曲线的关系。
（2）“先拐后平，数值大”原则：在化学平衡图像中，先出现拐点的反应速率较快，先达到平衡，往往温度较高或压强较大。
以下笔者就一些常见的化学平衡图像题的类型进行具体地例析。
1、以速率―时间（v-t）图像描述化学平衡移动的本质
2、以物质的量（浓度）―时间（n（c）-t）图像描述可逆反应达平衡的过程
例3 一定温度下在密闭容器内进行着某一反应，X气体、Y气体随反应时间变化的曲线如右图所示。下列叙述中正确的是（ ）
A.反应的化学方程式为5YX
B.t1时，Y的浓度是X浓度的1.5倍
C.t2时，正、逆反应速率相等
D.t3时，逆反应速率大于正反应速率
解析：从图像可以看出，t2时刻X、Y两物质的物质的量相等，而不是反应速率相等，故C不正确；t3时，反应达到平衡状态，所以正反应速率等于逆反应速率，故D不正确；反应开始X指示的量不清晰，故无法判断化学方程式的化学计量数，故A不正确。该题答案选B，可根据图中数据得出结果。
3、化学平衡移动原理的应用。
例4 反应X（气）+3Y（气）2Z（气）+热量，在不同温度、不同压强（p1>p2）下，达到平衡时，混合气体中Z的质量分数随温度变化的曲线应为（ ）。
解析：可逆反应X（气）+3Y（气）2Z（气）+Q的特点是：气体体积缩小的方向是放热反应。根据化学平衡移动原理：①压强不变时温度升高，平衡向逆反应方向移动，则Z减少，故可排除A、B；②温度不变时压强增大，平衡向正反应方向移动，则Z应增大，故可排除D。答案为C。
4、化学平衡综合应用图像。
例5 已知某可逆反应aA（气）+bB（气）cC（气）+Q在密闭容器中进行，在不同温度（T1和T2）及压强（p1和p2）下，混合气中B的质量分数（ωB）与反应时间（t）的关系如右图所示。下列判断正确的是（ ）
A.T1
B.T1>T2，p1
C.T1p2，a+b
D.T1>T2，p1>p2，a+b>c，Q>0
解析：本题是化学平衡移动的综合应用图像题，其特点是根据题给曲线图像，判断外界条件及可逆反应方程式中有关量相对大小，实质仍属逆向思维。解题时，既要考虑反应速率的快慢（拐点出现的先后），又要考虑化学平衡移动。
由（T1，p1）和（T1，p2）两支曲线可知，等温（T1）下，压强为p2时达到平衡所需时间较短，即反应速率较快，所以p2>p1，且压强越大，ωB越
大，则a+bT2，且温度越高，ωB越小，故正反应为吸热反应，Q
参考文献：
[1]李卫民.创新设计2012高考总复习（化学）.西安：陕西人民出版社，2011
[2]凌艳.教材完全解读，高中化学选修4化学反应原理.南宁：接力出版社，2010
化学平衡图像篇2
关键词:化学平衡教学;考查维度
文章编号:1005-6629(2010)07-0004-05 中图分类号:G633.8 文献标识码:B
化学平衡一直是高中化学最富有思维深度和理论价值的内容,但因其教学深、广度难以把握,所以,容易出现因层次、难度设置不当而导致学生的思维混乱。而在新的课程标准和新的高考形势下,考查平衡问题又有了新的动向。此时,若一味的借用过去成熟的教学思想和套路是行不通的。根据对近几年高考趋势的分析和平衡理论的深入理解,笔者认为,选修阶段化学平衡教学成功的关键在于做到“适度”和“有序”。
1 从近几年高考动向看化学平衡教学的“度”
全面分析对比近三年全国各地高考试题,无论是否实施新课程的省份与地区,有些“度”的把握是一致的。
1.1 一些旧课程中的传统难题近乎绝迹
(1)等效平衡问题考查的分值越来越少,三年来每年全国仅有一道选择题,而且基本都在还没有实施新课程的地区。即使是这两年全国Ⅱ和北京的两道题,也可以不必用到等效平衡的概念来解决,更不必要总结等效平衡的种种情况了。
(2)单纯的计算问题,甚至是利用压强变化、密度变化来进行的计算问题不再出现。
(3)对建立模型等解题技巧的考查基本不再出现。
其实,这些问题本身并不是平衡的核心和本质问题,主要是数学、模型等方法在平衡中的应用。他们增加了平衡问题的难度,而且使得擅长化学应用型思维的学生并不具有优势。
1.2 应用型、信息型问题比重加大
(1)勒夏特列原理和平衡常数的应用,考查的分值非常大。具体来说是,各种因素对平衡状态的影响,平衡会向哪个方向移动?原料利用率、产率会增大还是减小?平衡常数变大还是变小?新的平衡状态是怎样的?并且将结论应用到生产、生活的实例中,以体现化学科学的价值和学生学习化学的意义。
(2)更加重视对数据图表等信息的分析归纳和加工。以前,图像解析一直是平衡问题考查的重要方式,但近两年又增加了通过数据变化趋势分析问题、归纳反应特征,2009 年在全国Ⅱ、浙江、广东卷中各有一大题,要求根据不同反应条件下的物理量变化来绘图,对信息加工能力的要求更高了。
通过以上两方面维度的分析,我们发现,新课程平衡问题不是难度上的增大或减小,也不是知识点的简单增减,而是对学生能力培养目标的变化,即淡化技巧训练、题型归类,强化对问题本质的理解,加强对应用能力、创新能力的培养,旨在培养真正具有“化学学科素养”的人才。
2教学中如何使学生能力循“序”渐进
通过上述分析,可以发现,面向新的高考,实施题海战术不断训练解题技巧将徒劳无获,学生在面对各种新的情境时会无所适从。在选修阶段,学生是初学平衡理论,而不是复习,所以,应该打好理论基础,创设富有层次、维度适当的问题情境,使学生在理论应用和创造中实现能力的逐步提升。
为此,我们将平衡问题按照学生的接受能力和知识的内在逻辑进行分层,逐一落实。
2.1认识化学平衡状态
不知道什么样的状态是平衡状态,不知道何时能到达平衡,就谈不上判断平衡的移动以及勒夏特列原理的应用。要准确地认识平衡状态,知道平衡是如何建立的,需要储备以下两项知识:
(1)学生要充分理解c、V、p、ω、ρ等物理量的含义及其变与不变的本质原因。因此,必须先复习c、V、p、ω这些物理量,知道它们的基本公式;对于压强p,我们可以不引入理想气体状态方程,但要了解在等温等容的容器中,压强与物质的量成正比,理解恒温恒压的原理。而对于ф(体积分数)虽然概念陌生,但在学习阿伏伽德罗定律时已经理解了,此时只是进一步提升。定量问题正好是必修化学的薄弱环节,一般的学生会感到很混乱和害怕,所以,此时加以总结,会增强学生学习后续内容的自信心。
例1: 一定温度下2SO2(g)+O2(g)2SO3(g), 在10 L容器中加入5 mol SO2和3 mol O2,当反应达到平衡时,有3 mol SO2发生了反应,则:平衡时SO3的量为__________、体积分数为__________。气体压强变为原来的___________。气体密度比原来__________。
答案:3 mol;46.15 %;81.25 %;相等。
(2)能全面地分析发生化学反应过程中,究竟哪些物理量会发生变化?变化趋势是怎样的?最后怎样趋于动态的平衡。
例2:(由2008 年江苏卷改编)将一定量的SO2和含0.7 mol氧气的空气(忽略CO2)放入一定体积的密闭容器中,550 ℃时,在催化剂作用下发生反应:2SO2+O2 2SO3(正反应放热)。请回答:在到达平衡之前,随着反应向右进行,下列物理量是否发生变化,怎样变化:
a. SO3的浓度_____b. SO2百分含量_____
c. SO2的消耗速率____ d. SO3的生成速率____
e.容器中气体的压强__________
f.容器中混合气体的密度_________
答案:a.增大;b.减少;c.减小;d.增大;e.减小;f.不变。
2.2理解化学平衡移动
有时,我们发现学生经过了大量的习题训练之后,往往会犯一些非常低级的错误,甚至不会判断平衡移动方向。 很显然,这种情况的出现,是因为学生在开始学习时就没有抓住问题的本质。因此,在学习勒夏特列原理时,一定要从本质上来解释,注意问题设计的层次性,先打好基础,实现学生能力的螺旋式上升,而不是让学生死记住一些结论。
我们把化学平衡移动教学分为以下几个层次:
(1)通过典型实验,认识外界因素对化学平衡的影响,了解平衡发生移动的外在特征,能结合温度、浓度、压强的变化,将勒夏特列原理的表述具体化。
如人教版选修4关于和平衡体系的实验,根据该实验[1], 可以设计下列问题让学生思考:
例3: 对于如下反应:2NO2(g)N2O4(g)ΔH
答案:(1)变深; 发生了移动; 无色N2O4(g)浓度减小, 红棕色NO2(g)浓度增大。 (2)到达了新的平衡状态;维持温度不变,气体的颜色不再改变;(3)吸热反应。
(2)微观解释化学平衡为何可以移动。
例4:对于如下反应:2NO2(g)N2O4(g)ΔH
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答案:瞬间增大;瞬间增大;正反应速率逐渐增大,逆反应速率逐渐减小,直至二者相等。v-t图见图1。
通过对于多个实验的剖析,我们可以得出化学平衡移动的实质原因与判断标准:v正与 v逆的大小比较。
(3)举出一些实例,让学生分析化学平衡将会怎样移动,并写出分析的步骤。
例5:光照黄绿色的氯水一段时间,现象是_______,说明平衡向____方向移动了。改变的条件是_______,移动的原因是_________________,请画出从原平衡到新平衡的v-t图。
答案:氯水颜色逐渐变浅;正方向;光照使HClO浓度降低;在Cl2+H2OH++Cl-+HClO平衡体系中,生成物的浓度降低,使平衡向右移动。v-t关系如图2所示。
2.3理解平衡常数及其价值
笔者曾经用物理化学专家高盘良教授的话对学生隆重介绍化学平衡常数。他说:“勒夏特列原理是经验性的原理没有理论基础,是定性的规律没有定量的计算。它的科学的、严格的表述是:均相、封闭体系,当只有某一个因素改变时,平衡会向抵消外来因素改变的方向移动。如果违反了这个前提,可能会得到错误的结论。所以,勒夏特列原理并不是普遍遵守、什么情况下都可以用的。”而“平衡常数是建立在严谨的理论基础之上的, 是热力学理论解决化学平衡问题的伟大成果。无论在理论上还是指导实践中,都发挥着巨大的作用。利用平衡常数判断平衡移动方向,不管是开放体系还是混相体系,不管是单一因素还是多因素,都是可以使用,因此,它可以解决更广泛的问题。[2]” 然后,给学生介绍平衡常数,并通过计算得出各种结论,最后,总结勒夏特列原理。
这段话虽然很长,但是学生听得很认真、安静。学生很需要教师帮他们整理一下所学理论的优势、局限性和相互关系。
因此,我们的教学应能让学生感受到平衡常数的重要价值,并学会应用。
(1)一定温度下,将浓度商的数值与平衡常数进行比较,理解平衡状态的建立过程或判断平衡移动的方向。还可以利用平衡常数计算新的投料状况下的原料转化率。
例6:高炉炼铁中发生的基本反应如下: FeO(s)+CO(g)Fe(s)+CO2(g)H>0;其平衡常数可表达为: K=c(CO2)/c(CO), 已知1100 ℃时, K=0.263, 此时, 测得高炉中c(CO2)=0.025 mol・L-1,c(CO)=0.1 mol ・L-1,在这种情况下,该反应是否处于平衡状态?__________(填“是”或“否”),此时化学反应向__________方向进行,其原因是__________。
答案:否;正反应;此时浓度商Qc= c(CO2)/c(CO)=0.25, Qc
例7: (2007 年广东卷)黄铁矿(主要成分为FeS2)是工业制取硫酸的重要原料,其煅烧产物为SO2和Fe3O4。将0.050 mol SO2(g)和0.030 mol O2(g)放入容积为1 L的密闭容器中, 反应2SO2(g)+O2(g) 2SO3(g)在一定条件下达到平衡,测得c(SO3)=0.040 mol・L-1。计算该条件下反应的平衡常数K和SO2的平衡转化率。
答案:1.6×103 L・mol; 80 %。
(2)另外,既然平衡常数比勒夏特列原理更加普适,我们可以将曾经定性判断的问题拿来改编,通过平衡常数的定量计算来验证原来通过勒夏特列原理定性得到的结论。
例8:已知CO(g)+H2O(g) CO2(g)+H2(g), 800 ℃ K=1.0; 求恒温恒容体系中, 用c(CO):c(H2O)=1:1或1:4开始,达到平衡时CO的转化率。 当 c(CO):c(H2O)= 1:n时呢?通过对两平衡中CO和H2O(g)的转化率的对比,能说明什么?
答案:c(CO):c(H2O)=1:1时, CO转化率为50 %,H2O转化率为50 %; c(CO):c(H2O)=1:4时, CO转化率为80 %,H2O转化率为20 %;当c(CO):c(H2O)=1:n 时, CO转化率更大,但不可能为100 %,H2O转化率更小,但不可能为0。
说明: 提高一种反应物的浓度,可以提高另一种反应物的转化率,其自身转化率下降, 但并非呈直线性变化关系。
以上结论若通过勒夏特列原理凭空推理,恐怕是很难让学生信服的。
2.4 应用平衡理论创造性地解决问题
(1)解决实验或生产实际中的问题
必修和选修4是高考的重点,我们将必修中不能深入探讨的可逆反应拿来作为实例,用化学反应速率和化学平衡的理论加以解释与深化,可以加强学生对理论的理解与应用,同时可以使新课程中被削弱的元素化合物知识得以丰富和提升。
例9:氯气与水反应, Cl2+H2O H++Cl-+HClO达平衡后, A. 加入氢氧化钠发生什么反应?B. 久置氯水的成分是什么?为什么?C. 次氯酸钠中加浓盐酸会发生什么反应?D. 为什么氯气难溶于饱和食盐水?E. 加入NaHCO3固体, c(HClO)将如何变化?
答案:A. 加入氢氧化钠,中和生成物中的酸,是平衡向右移动,最终生成NaCl和NaClO;B. 久置氯水的成分是稀盐酸,因为HClO逐渐分解,使平衡向右移,最终都变成稀盐酸;C. 次氯酸钠中加浓盐酸,相当于上述平衡中生成物浓度变大,使平衡向左移动,会产生氯气;D. 饱和食盐水中c(Cl-)较大,相当于增加了上述平衡中生成物的浓度,使平衡向左移动,抑制氯气的溶解;E. 加入NaHCO3 固体,盐酸会与NaHCO3反应, c(H+)下降,使平衡向右移动, c(HClO)增加。
勒夏特列原理在化学与技术问题中的应用能体现化学反应原理的学习意义和理论价值。化学反应速率可解决反应的快慢问题,平衡理论可解决转化率问题,综合考虑二者,才能提高工业产品的产量。化学因此而显现魅力。因此,我们在教学时一定要重视,并让学生感受到乐趣。
例10:接触法制硫酸的核心反应是
2SO2(g)+O2(g)2SO3(g), H
(1)生产中用过量的空气能使SO2的转化率____(填“增大”、“减小”、“不变”),该反应为何在常压下进行___________________,选择400 ℃的主要原因是_______________。
(2)图3中表示的是反应过程中,体系内各物质浓度的变化情况。t2～t3时曲线发生变化的原因是________________,t2时二氧化硫的转化率是_______________;该温度下,该反应的平衡常数为___________;升高温度,K值将_______(选填“增大”、“减小”、“不变”)。
(3)若在t4时将氧气的浓度增大0.1 mol・L-1,请按要求在图3画出变化情况。
另外,工业生产常常不同于我们习题中的理想状况,比如有时会中途改变投料,我们应该设计一些实际问题让学生思考。
(4)若在t2-t3中的某一时间点将氧气的浓度增大0.1 mol・L-1,又如何用图像表示其变化呢?
答案:(1)增大,常压下已经有较大的反应速率和转化率,可节约成本;该反应正方向是放热反应,温度太高会降低SO3的产率,温度太低不利于催化剂的活性和反应速率的提高。(2)降低温度;
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22.2%; 0.09L/mol; 减小。(3)见图4。(4)见图5。(要求:变化趋势正确,且注意量的比例)
(2)解决图像及数据信息问题
关于图像解析题,要注意的是,一定不能让学生感觉化学平衡图像问题是一类新的问题。其实,问题的实质没有发生变化,只不过改变了问题出现的形式,在解答时多了一点图像解析的技巧。所以,不建议在进行专题教学时全面归纳各种图像的类型和解题模式,不要去限制学生的思维,而应让学生自己掌握普遍方法后具体问题具体分析。
我们更应该关注的是目前高考中的一个新兴热点难点问题,即要求学生自己绘制图像,而且,目前教学素材并不是特别多,很多又是高考难点,解决起来障碍较多。所以,我们可以自己编制一点题,比如,将识别图像题改为绘制图像题,或对数据信息题进行变式训练,学生只有深入理解了各条件下反应之间的关系,才能创造性地解决这类问题。
例11:(由2001年上海卷改编)某化学反应2A(g)
B(g)+D(g)在四种不同条件下进行,B、D起始浓度为0,反应物A的浓度(mol・L), 随反应时间(min)的变化情况如下表1:
根据上述数据,完成下列填空:
(1)在实验2,A的初始浓度c2=______mo・L-1,反应经20分钟就达到平衡,可推测实验2中还隐含的条件是_________________。
(2)设实验3的反应速率为v3,实验1的反应速率为v1,则v3________________v1(填>、=、、=、
(3)比较实验4和实验1,可推测该反应的正反应是__________反应(选填吸热、放热)理由是________________________________________。
(4)请画出4次实验中反应物A的浓度(mol・L-1)随反应时间(min)变化的图像。画出3、4两个反应中生成物B的浓度(mol・L-1)随反应时间(min)的变化的图像。
答案:(1)1.0;催化剂。(2)>>。(3)吸热;比较实验4和实验1,发现投料相同,温度升高时,反应物A的浓度减少,说明平衡向右移动了,即正反应是吸热反应。(4)4个反应中反应物A的浓度(mol・L-1)随反应时间(min)的变化的图像见图6,3、4两个反应中生成物B的浓度(mol・L-1)随反应时间(min)的变化的图像见图7所示。
综上所述,选修“化学平衡”属于教师引导下学生的探索学习,我们应该注意在适当时候设置维度与层次适当的问题,不要一开始就逾越学生的能力基础、逾越科学知识本身的层次架构,而应循序渐进,使学生通过我们的问题设置能够清晰地归纳出整个理论框架的内部结构关系,如速率与平衡的关系、勒沙特列原理与平衡常数的关系等等。然后在这样的有效学习成果下进行创造。
参考文献:
[1]人民教育出版社课程教材研究所化学课程教材研究开发中心.普通高中课程标准实验教科书:化学.化学反应原理(选修4)[M].北京:人民教育出版社,2007
[2]选修模块学科及教学问题探讨.“广州市中小学教师继续教育网”的网络课程《广州市2009年普通高中教师职务培训》专题七,cs.省略/jiaoshijixu/2009/gzjs/hx/index.htm
化学平衡图像篇3
一、教学设计反思
在教学中，通过演示实验、图像和大量生动形象的事例，引导学生分析影响化学平衡移动的因素。其中浓度对化学平衡的影响学习难度较大，因此重难点知识要自然合理穿插引入，设置难易适当的问题，尽量做到内容简单化，达到浅显易懂的教学效果。教师通过化学平衡常数概念、意义的讲解，引导学生从平衡常数角度分析外界条件如何影响化学平衡，并能利用平衡常数来判断反应进行的方向。
二、教学过程反思
教学过程中，首先是从化学平衡的概念和特征的复习引入到化学平衡的移动，通过演示实验与图像分析把化学平衡移动的实质清晰地呈现出来，而且可以分不同情况加以分析，从本质上剖析和认识勒夏特列原理。其次，通过学生十分熟悉的合成氨反应为引子，引导学生思考如何定量描述反应的限度，自然地进入化学平衡常数概念、意义的学习，引导学生从平衡常数角度分析温度为什么能影响化学平衡，归纳总结温度对化学平衡的影响；然后让学生理性分析预测浓度对化学平衡的影响，提高学生的科学学习方法与能力。教学中，为了加深学生对概念和理论的理解，教师先通过编设习题引导学生自我练习，让学生对概念产生感性认识，再提出有梯度的问题引导学生思考外界条件是如何影响化学平衡的。在此基础上，教师点出外界条件改变引起的化学平衡的移动还有两种情况：一种是平衡常数改变；另一种是平衡常数不变。最后，教师通过对几个高考图像的讲解指导学生加深理论知识的理解。
三、教学效果反思
化学平衡图像篇4
关键词：自制教具；等效平衡；等效平衡模拟示意图
化学教学中常常要借助实验、符号、图像、模型等教具来进行教学。如化学变化借助化学实验，元素周期律借助元素周期表，原子结构借助原子结构示意图、电子云，化学平衡的建立借助化学平衡的建立图像等等，这样的例子非常多，举不胜举。更有些知识讲解要借助于自制教具进行教学。加强自制教具教学，既弥补了教仪的不足，又克服了一定的经费困难，为更好、更快地普及化学教学打下了基础。下面我就介绍等效平衡模拟示意图应用。
等效平衡是中学化学化学平衡中的一个考点，也是一个教学难点。想让学生学好，凭空想象等效平衡，实有一定难度。等效平衡模拟示意图，正好为我们解决这一难题。等效平衡模拟示意图变抽象为具体，变具体为图像，在教学中使用非常方便，用它分析等效平衡可达到事半功倍之效。等效平衡模拟示意图学生也可以自己画，学习中实用方便，是解决等效平衡这一知识难点的好帮手。
如何使用？首先需要我们了解什么是等效平衡。
一、什么是等效平衡
化学平衡的建立与途径无关，即可逆反应从反应物方向开始，还是从生成物方向开始，只要条件不变，都可以达到同一平衡状态。
相同条件下，同一可逆反应体系，不管从正反应开始，还是从逆反应开始，达到平衡时，任何相同物质的含量（体积分数、质量分数或物质的量分数）都相同的化学平衡互称等效平衡。可分为“全等效”平衡和“相似等效”平衡。
在一定条件下（定温、定容或定温、定压）的可逆反应，当达到化学平衡时，同种物质的浓度相同，这样的平衡称为“全等效”平衡；同种物质的含量（物质的量或气体体积或质量百分数）相同，这样的平衡称为“相似等效”平衡。在下列三种情况下，均可视为等效平衡。一是同温同体积时，对于N2 +3H2 2NH3反应前后气体分子数改变的可逆反应，只改变起始时加入物质的物质的量，如通过可逆反应的化学计量数比换算在同一半边的物质的量与原平衡相同，则两平衡等效。二是同温同压时，只改变起始时加入物质的量，只要按化学计量数比换算在同一半边的物质的量之比与原平衡相同，则两平衡等效。三是同温同体积时，对于I2 +H2 2HI反应前后气体分子数没有改变的可逆反应，只改变起始时加入物质的量，只要按化学计量数比换算在同一半边的物质的量之比与原平衡相同，则两平衡等效。
在一定条件下（恒温恒容或恒温恒压），对同一可逆反应，起始时加入物质的量不同，达平衡时的状态规律如下表：
转化思想：把各物质都有的起始状态转化为只有反应物或只有生成物的起始状态 ，从而使问题变得单一和明了。
二、等效平衡模拟示意图介绍
等效平衡模拟示意图是我自制的教具，它包含两件。一件用于前面提过的“全等效”平衡，即表格中的第三种情况。同温同压时，对N2 +3H2 2NH3的可逆反应，加入的反应物只要成比例，就可达到等效平衡。等效平衡模拟示意图（一）有两个图和一个模拟活塞，通过活塞的移动可以展示另一个图。图形如下：
另一件用于前面提过的“相似等效”平衡，即表格中的第二种情况。同温同体积时，对I2 +H2 2HI反应前后气体分子数没有改变的可逆反应，加入的反应物只要成比例，就可达到等效平衡。等效平衡模拟示意图（二）有两个图和一个模拟活塞，通过活塞的移动可以展示另一个图。图形如下：
三、等效平衡模拟示意图使用
等效平衡模拟示意图中的不同圆点表示平衡时不同分子。
图（一）中第二个图体积是第一个图体积的两倍，各种分子个数也是两倍，因此各物质的含量（体积分数、质量分数或物质的量分数）都相同。气体的体积与物质的量成正比时，只要温度相同第一个图中的压强与第二个图中的压强是相同，那么第一个图中的平衡与第二个图中的平衡是等效平衡。当然需要反应前两容器内的反应物的量也要成倍。第三个图是第二个图遮去一半，与第一个图完全一样。由此类推同温同压时，只改变起始时加入物质的量，只要按化学计量数比换算在同一半边的物质的量之比与原平衡相同，则两平衡等效。第三个图是第二个图遮去一半，与第一个图完全一样。
图（二）中第二个图体积是第一个图体积的两倍，各种分子个数是相同，因此各物质的含量（体积分数、质量分数或物质的量分数）都相同，只是各物质的浓度减半。温度和分子数相同时，压强与体积成反比，那么第一个图的平衡的压强是第二个图的平衡的压强两倍。对I2 +H2 2HI反应前后气体分子数没有改变的可逆反应，改变压强平衡不移动。第一个图表示的平衡与第二个图表示的平衡是等效平衡。第三个图是第二个图遮去一半，与第二个图的平衡是相同的。第三个图表示的平衡与第一个图表示的平衡是等效平衡。由此类推同温同体积时，对于I2 +H22HI反应前后气体分子数没有改变的可逆反应，只改变起始时加入物质的量，只要按化学计量数比换算在同一半边的物质的量之比与原平衡相同，则两平衡等效。
等效平衡模拟示意图比较直观说明等效平衡，对教师的教学和学生的学习都有很好的帮助。
教学实践表明：巧用自制教具教学，可以培养学生的学习情趣，并能调动其大脑处于最活跃的状态，能有效地激发学习热情，易于达到茅塞顿开的境界，使之自觉主动地投入教学活动中。托尔斯泰有句名言：“成功的教学不是强制，而是激发学习兴趣。”因此，在教学中充分发挥学生的各感官功能，自制教具教学与教师言简意赅的讲授相配合，就容易达到教学目的要求，从而改变教师手持课本口若悬河，学生却表情漠然的被动听课形式。巧用教具教学有助于提高授课质量与效率。笔者在多年的教学实践中采取加强自制教具教学的教学法，既克服了教师讲得口干舌燥，学生听得精疲力竭收效却甚微的现象，又能解决一些很难讲明的抽象问题。
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化学平衡图像篇5
关键词:化学高考试题 图表 图像 知识网络 数形结合
引言:近几年各地的高考试卷中出现了大量图表、图像、工业流程图等涉图题型。《2009年江苏高考化学考试说明》中也明确提出了这样的要求:能通过对自然界、生产、生活和科学实验中化学现象以及相关模型、图形和图表等的观察,获取有关的感性知识和印象,并运用分析、比较、概括、归纳等方法对所获取的信息进行初步加工和应用的能力。因此这类题目必然成为最近高考的热点。
高考的涉图问题主要以三种形式体现:图表、图像、工业流程图。如何解决其中的图表和图像问题?本文试通过分析和研究近两年江苏及全国各地高考试卷,探求这类题型的解题策略。
一、图表――高考试题的重要表述语言
用图表表述化学过程或呈现背景信息是化学常用的表达方式。图表往往拥有较大的信息存储量,能够很全面地考查学生分析、比较、概括、归纳问题的能力。
【案例1】(2009江苏卷・3) 下列所列各组物质中,物质之间通过一步反应就能实现如图所示转化的()
元素化合物知识一直是高考考查的重点,在江苏卷中约占20%。本题突破了传统的考查模式,将大量元素化合物知识集中在表格里,虽然仅为一道3分的单项选择题,但是其中涉及的元素化合物知识远大于3分的分值。其考查内容包括:铝、氮、硅三种元素单质及其化合物的性质和烯醇醛转化关系等部分有机化学内容。该题充分考查了学生基础知识掌握的牢固程度和知识网络的构建水平,将图表在化学考试中的功能发挥到了极致。
【案例2】(2008江苏卷・16) 根据下列框图回答问题(答题时,方程式中的M、E用所对应的元素符号表示):
(1)写出M溶于稀H2SO4和H2O2混合液的化学方程式:________________________________。
(2)某同学取X的溶液,酸化后加入KI、淀粉溶液,变为蓝色。写出与上述变化过程相关的离子方程式:____________________、___________________________。
(3)写出Cl2将Z氧化为K2EO4的化学方程式:___________。
(4)由E制备的E(C2H5)2的结构如右图,其中氢原子的化学环境完全相同。但早期人们却错误地认为它的结构为:。核磁共振法能够区分这两种结构。在核磁共振氢谱中,正确的结构有______种峰,错误的结构有_________种峰。
“无机框图推断题”作为一种高考的常见题型,是图表在化学试卷中的典型应用,有着明显的学科特点。它不仅考查我们对元素及其化合物主干知识掌握的情况,更能考查思维的敏捷性、发散性、严密性和分析推理综合应用元素化合物知识的能力。“无机框图推断题”的解决往往要经历两个重要的过程:一是寻找题干和框图的突破口,二是根据元素化合物知识网络推断出具体物质。因此我们在教学中应该着重培养学生下面两种能力:
【方法与策略1】 归纳总结高中化学中的“特殊点”
这类考题中各方框之间的联系不能直接看出,信息量小,要求考生必须对框图和题干中的隐含条件进行合理的挖掘。突破点的选择是解决无机框图推断题的第一步,也是最重要的一步,所谓突破口就是题干和框图中涉及的中学化学中性质比较特殊甚至是独一无二的物质。解题时我们往往通过先确定这种具有特殊性质的物质,然后顺藤摸瓜,各个击破。这里所谓的“特殊”包括特殊颜色、特殊现象、特殊条件、特殊关系、特殊类型等。例如本题中出现的“红色金属”,“KSCN+红色溶液”,“X溶液酸化后加入KI淀粉,溶液变为蓝色”等都是该题的突破口。在教学中我们应该着力培养学生发现和寻找突破口的能力。比如有关中学常见化学物质的特殊颜色问题,我们可以引导学生进行如下的专门整理:
对于其他特殊的现象、条件、关系等,我们也可以通过类似的方法进行归纳。
【方法与策略2】 构建元素化合物知识网络
无机框图推断不是纯粹的考查元素化合物知识,更倾向于物质之间的相互转化与联系。为了能够达到更好的应对效果,我们建议让学生以图表、框图的形式整理和归纳元素化合物知识,以增强学生对物质之间相互转化关系的认识。例如铁及其化合物可以引导学生整理如下:
二、图像与化学反应原理的有机结合已成为高考热点
化学反应原理是人类在研究大量化学反应本质的基础上,总结得到的关于化学反应的一般规律,是高中化学学习的理论基础,在高考考查中占有较大的比例。纵观近年来各地高考试题,图表已逐渐成为化学反应原理考查的重要载体。原因是它能将深奥的化学理论巧妙的融入简单、直观的图像中去,既考查学生化学反应原理的基础知识,又能很好的体现学生的信息加工处理能力。
化学图像题考查的知识点主要有:化学反应速率与化学平衡,沉淀溶解平衡,化学反应中的能量变化等。
【案例1】(2009江苏・14)I2在KI溶液中存在下列平衡:I2(aq)+I-(aq)?葑I3-(aq)
某I2、、KI混合溶液中,I3-的物质的量浓度c(I3)-与温度T的关系如右图所示(曲线上任何一点都表示平衡状态)。下列说法正确的是
()
A.反应I2(aq)+I-(aq)?葑I3-(aq)的ΔH>0
B.若温度为T1、T2,反应的平衡常数分别为K1、K2,K1>K2
C.若反应进行到状态D时,一定有v正>v逆
D.状态A与状态B相比,状态A的c(I2)大
【方法与策略3】培养学生准确提取图像信息的能力
图像是一种考查的载体而不是考查的核心,其核心还是化学反应基本原理,因此在教学中我们应该帮助学生准确地从图像中提取出对解题有用的信息,用化学反应原理的基础知识来加以分析和判断。例如A选项和B选项中,其考查的实质为温度对化学平衡的影响,即温度升高,平衡向吸热的方向移动。这个知识点是高考复习中重点练习的,只不过对于本题来讲,它并没有以文字的形式呈现温度的变化和平衡的移动的方向,而是通过图像中横纵坐标的变化来间接表达,所以要求学生对图像中所蕴涵的变化规律有准确的把握。在众多的图像信息中,应特别注意下面3个方面:
①坐标系――明确横纵坐标含义,并设法使其与已学的化学反应原理知识相结合。
②起点和终点――起点、终点往往关系到反应的初始状态和平衡状态,对后续的分析有至关重要。
③变化趋势――化学图像分析中最重要的一个因素。图像承载的化学原理往往是定性的分析,而非定量的计算,因此变化趋势是图像中最需要也是最值得解读的内容。
【案例2】(2008山东理综・15)
某温度时,BaSO4在水中的沉淀溶解平衡曲线如右图所示。下列说法正确的是:
提示:BaSO4(s)?葑Ba2+(aq)+SO42-(aq)的平衡常数Ksp=c(Ba2+)・c(SO42-),称为溶度积常数。
A.加入Na2SO4可以使溶液由a点变到b点
B.通过蒸发可以使溶液由d点变到c点
C.d点无BaSO4沉淀生成
D.a点对应的Ksp大于c点对应的Ksp
【方法与策略4】数形结合思想在化学图像中的应用
本题的背景知识为沉淀溶解平衡。在一定温度的饱和溶液中,沉淀溶解平衡常数Ksp=c(Ba2+)・c(SO42-),Ksp为定值。在溶液饱和、温度一定的条件下,c(Ba2+)和c(SO42-)满足反比例函数关系y=k/x,该图像也正是反比例函数的图像,赋予了简单、抽象的数学图象以丰富的化学原理知识。本题中也正是想通过这种方式传达Ksp、c(Ba2+)和c(SO42-)之间的关系。A选项中虽然加入了Na2SO4,但该体系依然是饱和溶液,在温度不变时,无论是改变哪种离子的浓度,另一种粒子的浓度只能在曲线上变化,而不可能变到b点;B选项应特别关注c、d两点的坐标位置关系:c、d两点纵坐标相同,横坐标不同,c点在曲线上,d不在曲线上。由d点变化到c点,溶液中硫酸根离子浓度不变,离子浓度增大。蒸发时,溶液中两种离子的浓度变化有两种情况:若原溶液不饱和,c(Ba2+)和c(SO42-)应同时增大;若原溶液为饱和溶液,c(Ba2+)和c(SO42-)都不变。d点溶液中两种离子浓度都在曲线以下,说明溶液中硫酸钡未达到饱和,无硫酸钡沉淀生成;溶度积常数与温度有关,而与溶液中离子浓度无关,a点和c点的溶度积常数相同。
“数形结合”中的“数”即化学反应原理,“形”就是化学图像。学生在解题过程中遇到的问题往往出在“数”与“形”的“结合”上。因此,如何引导学生将化学图像中的信息与化学反应原理相结合是我们教学中要仔细思考的。
总之,高考试题中图表和图像只是考查的载体,而非考查的核心,所谓“万变不离其宗”,最终还是要通过化学知识来解决。
化学平衡图像篇6
随着电子商务中人脸认证、手机数码相机中人脸娱乐以及互联网中图像搜索的发展，人脸检测逐渐从人脸识别领域脱离出来，成为一项独立的研究课题。
目前，人脸检测方法大致可以分为3类：基于特征的人脸检测、基于模板的人脸检测和基于统计理论的人脸检测［1］。具有代表性的研究有：阮锦新等［2］基于人脸特征和adaboost算法,提出了一种改进的多姿态人脸检测算法，该算法能实现多姿态人脸的快速检测,而且对脸部表情和遮挡有较强的鲁棒性。张争珍［3］等运用ycgcr颜色空间建立高斯模型进行人脸检测，该算法提高了人脸检测的速度，并且有较高的检测率和较低的漏检率。冯亚丽等［4］提出了一种改进的基于肤色分割和pca的人脸检测方法，对部分遮挡、肤色干扰等复杂环境下的图片有较高的检测率。张明慧等［5］基于统计理论的人脸检测是利用统计分析与机器学习的方法找出人脸样本与非脸样本的统计特征,再使用各自的特征构建分类器,使用分类器完成人脸检测。王昊鹏等［6］提出了一种基于特征提取与认证的彩色图像人脸检测，这种结合肤色和面部特征的算法,能对人脸进行较快速、准确定位,且结果较稳定。
以上算法中，adaboost算法由于算法简单、检测快速，因而应用广泛。但该算法易受光照等外界环境的影响，当光照不均匀时，检测正确率明显降低，误检率变高。针对这些问题，本文应用adaboost算法采并用直方图均衡化处理输入图像，虽然检测速度没有加快，但提高了检测的正确率，降低了误识率。
1adaboost算法人脸检测基础理论
viola和jones［7］在adaboost算法的基础之上，将adaboost算法与人脸检测相结合，并对adaboost训练出的强分类器进行级联，建立一个实时的人脸检测系统。该方法具有较强的鲁棒性和高识别率。viola人脸检测方法是基于haar特征、积分图、adaboost和级联分类器的方法。
1.1haar特征
人脸检测的关键问题之一是人脸特征提取。在特征提取阶段，adaboost算法采用的是提取图像的矩阵特征，也叫haar特征。haar特征模板包括白色矩形和黑色矩形两种。
haar特征通常有2~4个矩形组成，其特征值定义为：featurek =∑ni=1wiretsum(ri)（1）其中，wi是矩形ri的权值（灰色部分为1，白色部分为-1）；retsum(ri)是所围成的图形灰度积分；n是组成featurek 矩形个数。
1.2积分图
viola提出将积分图应用到特征值计算中，haar的特征值是不同区域内的像素灰度和之差，只需对图形进行一次遍历，就能在固定时间完成每个特征值计算。
给定输入图像，在某像素p(x，y)处的积分值为原点到p点所组成的矩形灰度值总和，其积分图ii(x，y)为：ii(x，y)= ∑x′≤x,y′≤yi(x′,y′)（2）其中，i(x′,y′)为点(x′,y′)处的像素值，对于灰度图像，其值为0~255；对于彩色图像，可按照人脸色彩空间将其转化为灰度值。积分图像可通过一次遍历灰度图像得到：
ii(x，y)=ii(x-1，y)+s(x,y)s(x,y)
=s(x,y-1)+i(x,y)（3）其中，s(x,y)为点(x,y)及其y方向上所有原始图像之和，可定义为：
s(x,y)= ∑y′≤yi(x,y′) （4）
并定义s(x,0)=0, ii(0,y)=0。
将图形遍历一次，迭代2×x×y次。图1表示原始图像上任意矩形区域的像素值之和。
图1原图中任意一点d的积分
区4的像素和可通过计算ii(d)-ii(b)-ii(c)+ii(a)得到。
矩阵的特征值与图像的积分图有关，无论图像原始尺寸多大，计算特征值所消耗的时间都是固定的。因此，用积分图计算特征值大大提高了检测速率。
1.3adaboost分类器
分类器的作用就是利用提取出来的特征对正样本和负样本进行辨别。adaboost算法是一种分类器算法（自适应的叠加算法），它是一种训练弱分类器并通过级联的方式得到强分类器的算法。其核心思想是通过训练获得多个弱分类器，然后将弱分类器按照一定的权重加权构成强分类器。理论证明，只要每个弱分类器分类正确率大于随机猜测(50%)，就可通过级联
式组成强分类器，当级联的个数趋向于无穷时，强分类器的错误率就趋向于零。adaboost用于人脸检测时，从人脸图像中选取一系列一维简单特征，然后将这些特征组合起来，从而达到很好的分类效果。
1.4级联
设计一个要求一次就可实现人脸检测的强分类器，难度较大。viola提出将所有的强分类器级联起来构成一个级联强分类器。每个强分类器对负例样本的判别准确度非常高，一旦发现检测到的目标位负例样本就不再调用下一个强分类器。其主要处理流程如图2所示。
图2级联分类模型
2直方图均衡化
直方图均衡化的基本思想是对图像中像素个数多的灰度级进行拓宽，而对像素个数少的灰度级进行缩减，从而达到使图像清晰的目的，改变图像灰度层次不丰富、整体偏暗或整体偏亮的问题，将直方图的分布变成均匀分布。
直方图均衡化处理是以累积分布函数变换法为基础，设变换函数为：
s=t(r)= ∑r0pr(ω)dω (5)
其中，ω是积分变量，t(r)是r的累积分布函数。t(r)为变换函数，满足下列条件：①在0≤r≤1内为单调递增函数，保证灰度级从黑到白的次序不变；②在0≤r≤1内，有0≤t(r)≤1，确保映射后的像素灰度在允许范围内。可以证明，用r的累积分布函数作为变换函数可产生一幅灰度级均匀分布的图像，扩展了像素取值的动态范围。对于离散的数字图像，用频率来代替概率，则变换函数t(r)的离散形式可表示为：
sk=t(rk)=∑kj=0njnk=0,1,2,…,l-1(6)
3基于adaboost算法的光照补偿人脸检测方法在进行人脸检测时，受拍摄环境和光线的影响，拍摄得到的照片可能亮度不够、能辨率低，前景和背景灰度的差别不大，难以区分出有用区域。为了解决这一问题，本文采用直方图均衡化方法处理输入图像，将处理过的图像作为人脸检测的输入图像，其步骤如下：
(1) 输入人脸图像a.jpg。
(2) 用直方图均衡化方法处理a.jpg得到a1.jpg图像。
(3) 对a1.jpg图像进行人脸检测。
(4) 输出检测结果。
4实验结果
本文测试样本集为从互联网上随即抽取多人脸图像、单人脸图像以及cas-peal人脸数据库中的部分图像。测试环境为2.93ghz cpu，1.96g内存，操作系统为windows xp，使用的平台为visual studio 2010，并基于opencv开发完成人脸检测。
经过直方图均衡化与未经过直方图均衡化处理的人脸检测效果图分别如图3、图4所示。
图3经过直方图均衡化处理的人脸检测输出效果
图4未经过直方图均衡化处理的人脸检测输出效果
由图3和图4可以计算出，未经过直方图均衡化处理的图像，漏检率为4.348%，误检率为17.391%；图像大小为768*576，处理时间为1.437s。均衡化处理后，漏检率为0%，误检率为4.348%，图像大小为768*576，处理时间为1.453s。
可以看出，采用直方图均衡化预处理图像虽然没有提高检测速度，但是降低了漏检率和误检率，增加了检测率。
本文采用10张图片共126张人脸进行测试，测试结果如表1所示。
表1人脸检测实验数据
平均检测率平均误检率未均衡化75.628%7.895%均衡化83.8137%3.8288%从表1可以看出，经过均衡化处理的平均检测率高于未均衡化处理8.2个百分点；误检率低于未均衡化处理4.1个百分点。
5结语
将adaboost人脸检测算法与直方图均衡化处理输入图像方法相结合，实现了人脸检测并给出了检测结果。检测结果表明,本文方法与传统adaboost人脸检测方法相比，检测速度相差不大，但可以提高光照不均匀图像人脸检测的正确率，降低误检率。参考文献参考文献：
\[1\]刘翠响, 肖伶俐. 基于视频的人脸检测综述［j］. 电子设计工程, 2011（14）: 72.
［2］阮锦新, 尹俊勋. 基于人脸特征和 adaboost 算法的多姿态人脸检测［j］. 计算机应用, 2010 (4): 967?970.
［3］张争珍, 石跃祥. ycgcr 颜色空间的肤色聚类人脸检测法［j］. 计算机工程与应用, 2009, 45(22): 163?165.
［4］冯亚丽, 蒋文文, 刘泽光. 一种改进的基于肤色分割和 pca 人脸检测方法［j］. 科学技术与工程, 2010, 10(10): 2345?2346.
［5］张明慧, 张明超, 张尧禹. 基于统计的人脸检测方法研究［j］. 电脑编程技巧与维护, 2012（ 18）: 39.
［6］王昊鹏, 刘泽乾. 基于特征提取与认
证的彩色图像人脸检测［j］. 电子设计工程, 2012, 20(1): 171?176.
化学平衡图像篇7
关键词 高中化学；图像题解题；思维的运用
图像是高中化学知识最直观的体现，不仅是历年来高中的重点和热点，而且还是考查学生们对化学知识学习的掌握，在高中化学图像中包括很多隐含的信息，解决高中化学题目中，要对解题思维有着一定的运用，不仅要有着扎实的高中化学知识，而且能根据具体的题目利用最正确简单的方法进行解题，图像是高中化学题目的一部分，所要考查的知识利用坐标把化学理论抽象为数学问题，考查学生们的能力，培养学生们的思维。
一、高中化学反应速率因素以及高中化学平衡移动
在高中化学中，对高中化学反应速率因素以及高中化学平衡移动的化学知识中，不仅考查的是压强对高中化学反应速率的影响，在这一基础中更加深入的探讨了物质的状态以及对高中化学平衡移动的探讨。
例：对于达到平衡感的可逆反应X+Y?葑M+N，当增大压强时反应速率的变化如图所示，则X，Y，M，N四种物质的聚集状态是以下的（A）。
A，M，N为气体，X，Y中有一种是气体
B，X，Y，N是气体，M是非气体
C，N，M中有一种是气体，X，Y都为非气体
D，X，Y是气体，N，M有一种是气体
解答：在高中化学本题中，主要考察的是影响化学反应速率的因素以及化学平衡和移动的知识，考察到了压强对化学反应速率的影响，在当体系的压强增大以后，可以很明确的得出V1和V2都是同时的偏离了初始的平衡性，二者都有明显的增大，这就说明了反应物和生成物的物质状态同时都受到了压强的影响，从中可以得出反应物和生成物二者中都有气态物质的存在，但是现在还不能得出是有一种气态还是二者都有着气态，这就需要我们继续对题目进行分析，根据题目给出的信息，平衡向逆反应方向移动，能够可以说明生成物中的气态物质中的化学计量数之和一定大于反应物中的气态物质中的化学计量数之和，所以，我们可以根据这些条件能够从选项中选择出答案，只有A选项符合要求。
在对高中新课标的学习过程中，从中我们可以得知影响了化学反应速率的因素也有着外因和内因之间的区分，在内因中，由于物质的本身结构与性质的不同导致的差异，而针对影响化学反应速率的因素主要是外因，在外因中，我们可以考虑到：反应物的浓度，体系的温度以及压强，在本题中就是利用了压强来进行探讨的。
在高中化学中，化学反应速率的定义就是单位时间内反应物浓度的减少或者是生成物浓度的增加，所以在改变浓度时就能够直接看出影响化学反应速率，而针对于压强来说，压强影响化学反应速率必须要通过反应体系的体积来改变浓度，能够进一步的影响化学反应速率，在高中化学恒压的条件下，当体系的压强增大时，体积就会减小，反应物和生成物的浓度都会同时的增大，从这个知识点进行分析能够解决本题。
二、高中化学离子共存推断题
例：有一种无色透明的溶液，可能含有Al3+，Fe3+，K+，NH4+，Mg2+和Cu2+等离子中的一种或者几种，现向溶液中加入Na2O2粉末，只有无色无味的气体放出，同时析出白色沉淀，如加入Na2O2的量与生成沉淀的量之间的关系如图表示，试推断：1，原溶液中一定含有（ ）离子，一定不含有（ ）离子，可能含有（ ）离子。
解答：根据本题的题目中，我们可以得知本题是高中化学离子共存的推断题，同时还有了相应的图像能够让我们进行推断和计算，要想推断出溶液中所含的离子的种类，就必须从以下着手，首先，从题目给出的要求可以看出溶液是一种无色透明的，因此我们可以把Fe3+和Cu2+进行排除掉，其次，在当加入Na2O2之后，题目所给的是只有无色无味的气体放出，这就能推理出只有O2，而没有NH3，因此从中我们就可以排除NH4+，最后，就可以从题目中的图像进行一定的分析，从图像中，可以看出横坐标代表的是Na2O2物质的量，不同于直接加入NaOH，这一题目考查的就是对物质性质进行一定的了解，这就加大了本题的计算量，从图像中可以看出纵坐标代表的是物理量产生沉淀的物质量，从图像的曲线和点就可以看出，由1开始，就有一定的沉淀产生，在随着Na2O2的增加沉淀也在增加，这就能够推出溶液产生沉淀离子的存在，在当沉淀达到2号点时，沉淀的量达到了最大，在过了2号点后，沉底的量就开始下降，从中可以得到该溶液中有Al3+,沉淀Al（OH）3在强碱的条件下会产生溶解，在当达到3时，沉淀量不减少，再加入Na2O2的量，沉淀量为a，从中可以得出沉淀是Mg（OH）2，在此之后沉淀量是一成不变的。
三、高中化学图像题解题的思维
在高中化学中，针对于图像题解题中，要针对不同的题型进行思维逻辑的培养，能够根据数形结合的方法，结合题目和图像进行一定的分析，能够从中可以得到隐含的条件，从而更方便与化学图像题的解决，能够把相似的题型进行一定的归纳，训练出一种解决思路和技巧，并且对学生们的思维能力进行一定的培养，能够使得学生们在高中化学图像题解题中更加方便。
结语：
综上所述，对高中化学图像题解题中，要针对不同的题型进行一定的分析，抓住题目中所含的关键知识点和隐含的条件，以及反应规律，物质的性质等等，特别是针对图像，根据图像的特征进行一定的分析，能够对解题思维和技巧进行一定的运用，能够方便学生们快速的解题。
参考文献
[1]张煜.浅谈高中化学图像解题思维的运用和技巧[J].网络导报：在线教育，2012（16）
[2]王贞.倡导新型解题方法促进高中化学教育[J].中学数学参考，2013（26）
[3]何燕.高中化学图像型选择题的解题方法和技巧[J].大观周刊，2012（12）
化学平衡图像篇8
关键词： 纸币清分; 面额识别; HSV空间; 色差
中图分类号： TN919?34; TP391.41 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2015）02?0088?04
Banknote denomination recognition algorithm based on HSV space
DENG An?liang， REN Ming?wu
（School of Computer Science and Engineering， Nanjing University of Science and Technology， Nanjing 210094， China）
Abstract： Denomination recognition of banknote is a very important step in the process of paper currency sorting. The current research of the denomination recognition of banknote is mainly concentrated in the gray image， but no one uses color image for the research. A banknote denomination recognition algorithm based on HSV space is presented in this paper， which recognizes the denomination of banknote according to the color scale of H， S， V component of different banknotes. The correctness of the algorithm was proved by the high resolution images got by a scanner. The low resolution images collected by the smart currency detector were employed to carry out an experiment for recognition of low resolution images. An improved algorithm of using histogram equalization is proposed， whose classification accuracy rate reaches 98.78%. It proves that this algorithm can meet the needs of practical application.
Keywords： paper currency sorting; denomination recognition; HSV space; color difference
0 引 言
纸币图像清分是指根据由图像传感器获取到的纸币图像存在的各种特征，对纸币面向、面额、新旧、污渍、破损等进行清分。在纸币的清分处理中，面额清分是一个很重要的功能。智能点验钞机一般具备面额识别、金额累加等功能。人工对面额进行清点和计数效率很低，而且错误率也很高。为此，必须研究出一种高效的纸币面额识别方法。
目前对于纸币面额的识别主要有4种方法：第1种是根据纸币宽度识别[1];第2种是根据纸币金属线的长度识别;第3种是神经网络训练后识别[2];第4种是根据面额数字识别[3]。目前还没有人对利用彩色图像来进行纸币的面额识别进行研究，本文提出了一种利用彩色图像对纸币面额进行识别的算法。
1 算法原理
1.1 HSV颜色空间
采集的彩色图像一般用RGB空间来表示。R，G，B分别代表红、绿、蓝，一个像素和一个三维的向量相关联，向量的每一个分量分别代表的是红、绿、蓝对应的色彩的亮度[4]。
除了RGB空间之外，通常用来表示彩色图像的还有YIQ空间、YUV空间、HSI空间、HSV空间、CMYK空间等等[5]。其中HSI颜色空间和HSV颜色空间是基于感知的彩色空间。本文采用HSV空间来表示图像。
HSV颜色空间通常也称为HSB颜色空间，和人的主观感受一致。H表示像素的色调，S表示像素的饱和度，V表示明度，即像素的亮度[6]。色调H是该光在光谱中所处的位置，用角度来表示，范围是0°～360°，其中红色、绿色和蓝色分别相隔120°，互补的颜色分别相差180°。饱和度H的取值范围为0～1之间，它表示的是是颜色的饱和度和该颜色的最大的饱和度之间的比率。明度H即亮度，表示的是色彩的明亮程度，取值范围也是0～1。
HSV空间的三维的表示是从RGB立方体演化而来的。设想从RGB沿着立方体的对角线的白色的顶点向黑色的顶点进行观察，就可以看到六边形的外形。六边形的边界表示的是色彩，六边形的水平轴表示的是纯度，六边形的垂直轴表示的是明度。
1.2 色差公式
如图1，图2两幅图像是从扫描仪扫描到的高分辨率的纸币彩色图像。
<E：＼王芳＼现代电子技术201502＼Image＼06t1.tif>
图1 扫描仪扫到的100元彩色图像
<E：＼王芳＼现代电子技术201502＼Image＼06t2.tif>
图2 扫描仪扫到的50元彩色图像
用肉眼可以很明显地看出两幅彩色图像之间的颜色差别，如何将这种差异用计算机来表示呢，事实上，在彩色图像处理中，总需要比较一幅或者多幅图像间的彩色。必须要确定和描述在彩色空间中两个颜色的差别。色差公式就是来做这个工作的。使用色差公式来比较2种颜色之间的差异[8]。
HSV模型是一个连续的颜色模型，对于HSV模型，任意的2种颜色之间的距离可以定义为，它们在HSV空间中所处的空间位置的两点间的直线距离。即如果在HSV空间中有两个点X（H1，S1，V1）和Y（H2，S2，V2），则这两点之间的距离表示为：
[D（X，Y）=[（S1×sinH1-S2×sinH2）2+ （S1×cosH1-S2×cosH2）2+（V1-V2）2]12] （1）
1.3 算法原理
使用彩色图像进行纸币的面额识别方法其实也是有很多的，我们可以使用传统的方法，比如模板匹配法[9]。但是使用这些方法对于彩色图像的处理来说速度很慢，不能够适应实际应用的需要。如果能够直接使用颜色信息对纸币面额进行识别的话，那就能够加快处理的速度，为此进行了研究。
通过文献发现，有人使用颜色信息来定位车牌取得了很好的效果[10]，有人使用颜色信息提取成熟的水果取得了很好的效果[11] ，有人用彩色检测车道线[12]。他们使用的方法大都是先将彩色图像转换到某种彩色空间，然后根据色差或者色差图像来进行定位识别。受到这些的启发，思考能不能使用色差来识别纸币面额，答案是肯定的。
其方法是，首先将RGB彩色图像转换到HSV空间，然后分别计算100元、50元、20元、10元、5元、1元的HSV分量的均值。识别的时候对于输入的彩色图像，也计算其HSV分量均值，然后依次同这六个面额的HSV均值进行色差比较，找出色差较小的那一类，纸币就属于那一类。
利用HSV空间识别纸币面额的算法步骤是：
（1） 将纸币图像从RGB空间转换到HSV空间。
（2） 计算出每种面额的纸币的H，S，V分量的均值并记录下来。
（3） 将待识别图像与上述值进行色差比较。
（4） 找出色差较小的类别即为该类别。
2 高分辨率下实验
对100元、50元、20元、10元、5元、1元的纸币分别用扫描仪扫描了多份，得到了纸币的高分辨率图像。将正面正放的RGB图像转换到HSV空间，然后取右半部分各分量均值如表1所示。
表1 不同面额纸币H，S，V分量均值表
进行实验得到结果如表2所示。
由表2可知，使用本算法准确率达到了88.24%。由于本文使用的彩色图像是扫描仪获取的，获得的样本比较少，所以计算各个面额的H，S，V均值方面存在一些误差，导致分类存在一些误差。如果能够获取更多的样本，进行大量的实验，相信本文算法的识别效果还会有所提高。
表2 识别结果
通过上述实验，证明本识别算法是一种正确的识别纸币面额识别算法。但是这只是在扫描仪扫描到的高分辨率的纸币图像有效，是否能对智能点验钞机采集到的低分辨率的彩色图像有效还需要进一步的实验。
3 算法改进
3.1 低分辨率下实验
使用智能点验钞机采集到如下低分辨率彩色纸币图像如图3，图4所示。
<E：＼王芳＼现代电子技术201502＼Image＼06t3.tif>
图3 低分辨率100元纸币图像
<E：＼王芳＼现代电子技术201502＼Image＼06t4.tif>
图4 低分辨率50元纸币图像
为了测试的算法能否用到实际的应用中，使用上述算法对智能点验钞机采集到的低分辨率的图像进行了实验。为了加快处理彩色图像的速度，在这里我们没有对彩色图像中的纸币区域进行提取倾和斜校正等工作。计算了大量图像，得到了各个面额的各个分量的均值表如表3所示。
结合表3，使用1.3节介绍的算法对纸币面额进行识别得到实验数据如表3所示。
3.2 结果分析
由表3和表4可以看出，对于智能点验钞机采集到的低分辨率的图像，本文提出的算法的识别效果很差。由于图像传感器采集原因，低分辨率图像都较暗，导致彩色信息失真，使得我们直接利用其彩色信息时会出现问题。由表3可以看出，50元、20元以及10元的低分辨率图像H、S、V分量均值相差不大，导致它们难以区分彼此。而我们通过扫描仪扫描的彩色图像就没有这种情况，50元、20元和10元颜色分明，识别效果也较好。
表3 不同面额纸币H，S，V分量均值表
表4 低分辨率纸币面额识别结果
为此必须对算法进行改进。
3.3 算法改进
通过分析采集到的低分辨率的纸币彩色图像，发现导致算法识别效果较差的原因是纸币对比度太低，彩色信息失真。为此采用直方图均衡化的方法来增强图像的对比度[13]，校正彩色图像颜色。
根据熵理论可知当图像每个灰度级的像素个数相等时，图像的信息量最大[14]。直方图均衡化的目的就是使得图像每个灰度级的像素个数相等。即把原始图像的直方图变成均匀分布的形式，这样就增加了像素值的范围，增强了图像的对比度。设直方图均衡化前图像的直方图为H1，变换后直方图为H2，将原始灰度级定义为g，g变换后的灰度级定义为G，则必须满足：
[i=0gH1（i）=i=0GH2（i）] （1）
设图像面积为[A0]个像素，则直方图均衡化后，H2要求是每个灰度级上都有[A0N]个像素，显然有：
[i=0gH1（i）=i=0GH2（i）=G×A0N] （2）
从而得到G=F（g）为：
[G=NA0i=0gH1（i）=NA0A（g）] （3）
式中A（g）为像素分布函数（累积函数）。需要注意的是N是有效灰度级。
上述直方图均衡化算法只是针对灰度图像有效，对于彩色图像，应当将彩色图像分离成R、G、B分量图像，然后分别对这三个分量的图像进行直方图均衡化，最后将个分量图像进行组合，组合成彩色图像[15]。
针对低分辨率图像的改进算法是：
（1） 对RGB空间的纸币图像进行直方图均衡化。
（2） 将RGB空间图像转换到HSV空间。
（3） 计算出每种面额的纸币的H、S、V分量的均值并记录下来。
（4） 将待识别图像与上述值进行色差比较。
（5） 找出色差较小的类别即为该类别。
4 改进算法低分辨率下实验
4.1 实验数据
直方图均衡化效果如图5，图6所示。
<E：＼王芳＼现代电子技术201502＼Image＼06t5.tif>
图5 低分辨率100元纸币直方图均衡化前
<E：＼王芳＼现代电子技术201502＼Image＼06t6.tif>
图6 低分辨率100元纸币直方图均衡化后
由图5、图6可以看出，直方图均衡化后纸币的大量信息得到增强，图像对比度也得到了增强。
我们首先对大量图像进行直方图均衡化后转换到HSV空间得出个分量均值如表5所示。
表5 不同面额纸币H，S，V分量均值表
根据表5对纸币的面额进行识别，结果如表6所示。
4.2 数据分析
由表6可知，分类准确率可达98.78%，完全符合实际应用的需要。对于低分辨率图像，进行直方图均衡化后准确率提升了16.74%，证明了直方图均衡化对图像增强后确实能有助于纸币的面额识别。
表6 纸币面额识别结果
5 结 语
本文介绍了一种基于HSV空间的纸币面额识别算法，并用高分辨率下图像证明了算法正确性。针对低分辨率图像识别准确率低的情况，提出一种使用直方图均衡化进行图像增强的改进算法。使用改进算法对低分辨率图像进行实验，准确率很高，证明算法能够满足实际应用的需要。
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