模式识别原理及其应用

第一篇：模式识别原理及其应用

模式识别技术原理概述及其在刑事科学技

术中的应用

李同

中国人民公安大学 北京 102623

摘要 随着现代科学技术的不断发展，模式识别技术成为以数学及计算机信息技术为基础的新生现代科技，现已被应用到医疗、军事等多方面领域，特别是在公安系统刑事科学技术领域得到了广泛应用。总结模式识别技术处理问题的基本原理和常见识别方式，探讨模式识别技术在刑事科学技术中的应用。 关键词 模式识别技术;刑事科学技术;生物识别

存在于时间和空间中可观察的事物，如果可以区别它们是否相同或相似，都可以称之为模式(pattern)。而针对现代信息科技的狭义领域内，模式可以说是为了能让计算机执行和完成分类识别任务，通过对具体的个别事物进行观测所得到的具有时间和空间分布的信息。从这些大量的信息及数据出发，模式识别(Pattern Recognition)便是用计算机实现人对各种事物或现象的分析,描述,判断,识别的过程。模式识别技术的发展是从1929年G. Tauschek发明数字阅读机开始的，直到20世纪70年代，一些发达国家开始将模式识别应用到刑事侦查部门[1]。随着科技的不断进步，模式识别在刑事科学技术方面的应用越来越广泛，发挥的作用也越来越大，从某种意义上说模式识别促进了侦查和刑事技术手段的发展。

一、模式识别系统

模式识别是解决如何利用计算机对样本进行模式识别，并对这些样本进行分类。执行模式识别的计算机系统被称为模式识别系统。一个完整的模式识别系统，由数据获取、预处理、特征提取、分类决策和分类器设计5部分组成。可以分为上下两部分：上半部分完成未知类别模式的分类;下半部分完成分类器的设计训练过程。

(一)数据获取及预处理

数据获取是通过传感器，将光或声音等信息转化为计算机能够识别的电信息

的过程。为了更准确有效的读取信息，对由于信息获取装置或其他因素所造成的信息退化现象进行复原、去噪，从而加强信息的利用率，这个过程就是预处理。

(二)特征提取

由于数据获取部分所获得的原始信息数据量相当庞大，为了将这种维数较高的模式空间转换为维数较低的特征空间，从而实现分类识别，得到最能反映分类本质特征的向量，这个对特征进行抽取和选择的过程即为特征提取。

(三)分类器设计和分类决策

分类器设计的主要功能是通过训练来确定判决规则，它属于训练过程的一部分，其主要目的就是针对训练样本来按其判决的规则进行分类，以建立错误率最低的标准库。分类决策便是以分类器设计所建立的标准库为标准对特征空间的待识别对象进行分类，这样不仅能够使错误识别率降到最低，还能极大的提高数据利用率，最大程度的减少客观的信息损失。

二、模式识别在刑事科学技术中的应用

近几年，作为新生现代科技手段，模式识别技术被广泛应用于生活中的各个领域，如：字符识别、医疗诊断、遥感控图、环境监测、语音识别和产品检测等。模式识别技术极大的提高了人们的工作和生活质量，不断推动着社会的发展。在刑事科学技术方面，模式识别已经处于举足轻重的地位，特别是在指纹识别、人脸识别、虹膜识别等生物识别技术方面极大的提高了刑事侦查水平，为寻找犯罪证据和破获案件提供了强有力的技术手段支持，促进了刑事科学技术现代化建设。

(一)指纹识别

由于指纹具有唯一性、方便性和终身不变性，我国早在两千年前就曾使用指纹来破案。替代了传统的人工识别指纹的方法，指纹识别技术[2]已成为目前刑事侦查部门进行认定识别工作的主流技术，同时也是证据鉴定和侦查破案的有力保障。

如在20年前漳州商业大厦电梯杀人一案中，现场的线索少之又少，唯一有价值的线索是民警通过仔细勘查所提取到的一枚残缺指纹。在当时指纹识别技术还未完全成熟的年代，仅仅通过这枚残缺指纹找到凶手是相当困难的。然而，随着指纹识别技术的成熟，这件在当时看来无法破解的谜案，却在2011年全国公

安系统的“清网行动”中发现08年嫌疑人于上海斗殴的指纹与95年杀人案的残缺指纹认定同一。20年前的谜案被轻松告破，嫌疑人蔡某伟终被缉拿归案。

指纹识别系统是一个典型的模式识别系统，其主要分为指纹数据获取、指纹区域分割、指纹图像预处理、特征提取和匹配五个过程。凭借着可靠性强、速度快、操作简便等优点，指纹识别技术将继续作为刑事科学技术里进行生物识别的主要技术手段不断成熟发展。但是，小几率的错误识别和模糊难成像等问题仍是指纹识别技术进行改进需要考虑的首要问题。

(二)人脸识别

人脸识别是目前模式识别领域中被广泛研究的热门课题，相比传统的身份识别方式，人脸识别凭借着其身具有的安全性、保密性和方便性等优势，在近几年来得到了飞速发展并广泛应用于社会中的安全和经济领域[3]。目前，人脸识别技术已经成为刑事科学技术工作中较为成熟的鉴定技术之一，在刑事侦查实际工作中，人脸识别技术落实到身份认证、视频监控、视频资料分析等具体工作上，使得在进行布控排查、人像识别、犯罪嫌疑人认定以及门禁等方面都得到了良好的应用效果。

如在09年的郑州市特大抢劫杀人案中，人脸识别技术就发挥了高效的作用：2009年3月17日下午，郑州市金水区紫荆山路繁华路段发生一起特大入室抢劫杀人案，由于现场线索较少，案件的侦破一度陷入僵局。唯一的一段有价值的监控录像，是嫌疑人闪过的一个侧面照，而且很模糊。通过清大维森人脸识别比对系统小图像重建功能，对模糊的犯罪嫌疑人影像，进行了还原重建，最终锁定了大同籍男子次全为重点嫌疑对象。2012年12月29日，专案组民警在大同市将次全抓获，案件成功告破。此外，在近几年的南京“2.8” 贩毒团伙案、武汉“4.15”特大入室盗窃案等重要案件中，人脸识别相关技术都实现了快速认定犯罪嫌疑人身份的工作，是案件迅速告破。

人脸识别的原理实际就是首先采集人脸图像，经过预处理和特征选取单元处理后，再与子空间的训练和测试图像相比对，进而选择距离函数进行识别的模式识别过程，目前主要由基于整体计算的识别和基于局部特征的识别两种方法以及Ada boost和PCA等计算方法。但是，由于人脸识别率受多方面影响、采集图像一般较为模糊等诸多问题还没有得到良好的解决，人脸识别至今仍是在刑事科学技术领域内的一个具有挑战性的研究方向。

(三)虹膜识别

在一些科幻电影和电视节目剧情中，我们时常看到通过扫描眼球进行身份识别的画面，这就是虹膜识别技术。如今，虹膜识别技术已不再是幻想，从1993年第一个高性能的自动虹膜识别原型系统诞生开始，虹膜识别技术开始逐渐走进人们的生活。

虹膜是位于瞳孔和巩膜之间的圆环状组织，它具有斑点、细丝、条纹等丰富而各不相同的细节纹理图案。并且，一个人的虹膜在胎儿时期发育成熟后将终生不变，其本身具有高度的唯一性和稳定性，使它成为一种安全性极高的人体生物特征。因此，利用虹膜进行人身鉴的虹膜识别技术应运而生。

虹膜识别技术的基本操作流程同模式识别的基本流程大致相同，首先使用特殊的取像设备对人的整个眼部进行扫描拍摄并储存，然后对所记录的图像信息进行预处理，此过程通常包括虹膜定位、虹膜图像归一化、图像增强三个部分，也是难度较大的一个环节。得到质量较高的图像信息后，计算机将对处理过的图像进行特征分析，并将特征点进行编码，进而实现最后的编码匹配，实现人身的认定工作。

在模式识别领域内，虹膜识别被认为是二十一世纪最具有发展前景的生物鉴定技术，这不仅仅归结于虹膜简单的唯一性的特点。比如，与指纹识别相比，虹膜识别还有非侵犯性、活体验证等特性;和语音、人脸等非接触式身份鉴别的方法相比，虹膜具有更高的准确性[4]。只是，由于虹膜识别设备复杂，扫描距离短，图像处理设备的处理效果不佳，以及广大民众心理上还未能认识其安全保障，目前，虹膜识别技术还处于开发和研究阶段。相信在不久的将来，虹膜识别这种技术会为我们带来侦查破案极大帮助，也会开辟一个生物识别领域的革命新时代。

三、模式识别在刑事科学技术的未来发展和展望

随着信息科学技术的不断发展和大力推进，模式识别技术已经渗透进了人们日常生活, 如教育、通信、医疗等等[5]。我们已经亲眼目睹和切身体会到了以模式识别为基础的人工智能技术给日常生活带来的深刻变化,它使得我们周围无处不在的计算机系统具有灵活而友好的多种智能用户界面,使计算机和人的交流更为容易和自然。这就标示着在未来的刑事科学技术领域里，更加准确、智能、快速、便捷的刑事侦查和鉴定识别的技术手段将会不断创新和完善，这将成为实现未来社会更高的破案率和更低的犯罪率的基础，同时也是使人们的生活也会变得

更加安全、和谐的保障。

未来的时代，将会是信息科技的时代，是人工智能的时代，是计算机的模式识别活动替代人类活动来高效完成工作的时代。模式识别技术的不断发展将会给刑事科学技术带来更多的应用前景，也标志着刑事科学技术的现代化建设，将会随着模式识别发展的步伐登上一个全新的高度，为未来的打击犯罪和维护正义增添新的利剑!

参考文献

[1]贾铁军，李锦.人工智能在刑事技术中的应用[J].刑事技术,2002，(6)56-60. [2]杨宏林，吴陈.指纹识别方法综述[J].华东船舶工业学院学报，2003,17(3) [3]周激流.人脸识别理论研究进展[J].计算机辅助设计与图形学学报，1999，11 [4] 王川, 汪超, 司玉林, 等. 基于TMS320DM6446和TVP5158的虹膜识别系统[J]. 数据采集与处理, 2012(6).[维普] [5] 赵志宇.模式识别系统的工作原理及发展趋势[J]. 科技风, 2010

作者简介:李同(1994-)，男，山东临沂人，中国人民公安大学2013级刑事科学技术专业本科生。

邮寄地址：北京市大兴区黄亦路中国人民公安大学(团河校区) 邮编：102623 收件人：李同

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第二篇：抽屉原理及其应用

摘 要: 本文着重从抽屉的构造方法阐述抽屉原理,介绍了抽屉原理及其常见形式，并结合实例探讨了这一原理在高等数学和初等数论中的应用。 关键词: 组合数学;抽屉原理;抽屉构造

1.引言

抽屉原理也叫鸽笼原理, 它是德国数学家狄利克雷( P. G. T. Dirichlet) 首先提出来的, 因此也称作狄利克雷原理.它是数学中一个基本的原理，在数论和组合论中有着广泛的应用。在数学的学习研究中，我们也可以把它看作是一种重要的非常规解题方法，应用它能解决许多涉及存在性的数学问题。

2.抽屉原理的基本形式与构造

2.1基本形式

陈景林、阎满富编著的中国铁道出版社出版的《组合数学与图论》一书中对抽屉原理给出了比较具体的定义，概括起来主要有下面几种形式: 原理Ⅰ 把多于n个的元素按任一确定的方式分成n个集合，则一定有一个集合中含有两个或两个以上的元素。

原理Ⅱ 把m个元素任意放到n(mn)个集合里，则至少有一个集合里至少有k个元素，其中

m , 当n能整除m时,nkm　　1　, 当n不能整除m时. n原理Ⅲ 把无穷个元素按任一确定的方式分成有穷个集合，则至少有一个集合中仍含无穷个元素。

2.2基本构造

利用抽屉原理解题过程中首先要注意指明什么是元素，什么是抽屉，元素进入抽屉的规则是什么，以及在同一个盒子中，所有元素具有的性质。构造抽屉是用抽屉原理解题的关键。有的题目运用一次抽屉原理就能解决，有的则需反复用多次;有些问题明显能用抽屉原理解决，但对于较复杂的问题则需经过一番剖析转化才能用抽屉原理解决。 3.利用抽屉原理解题的常用方法

3.1利用划分数组构造抽屉

例1 在前12个自然数中任取七个数， 那么, 一定存在两个数, 其中的一个数是另一个数的整数倍。

分析：若能把前12个自然数划分成六个集合, 即构成六个抽屉， 使每个抽屉内的数或只有一个, 或任意的两个数, 其中的一个是另一个的整数倍， 这样, 就可以由抽屉原理来推出结论。现在的问题是如何对这12个自然数：1，2 ,„,12 进行分组, 注意到一个自然数, 它要么是奇数, 要么是偶数。 若是偶数, 我们总能把它表达为奇数与2k(k1,2,3...)的乘积的形式，这样, 如果允许上述乘积中的因子2k的指数K可以等于零, 则每一个自然数都可表达成“ 奇数2k” (k1,2,3... )的形式, 于是, 把1，2，3„,12个自然数用上述表达式进行表达, 并把式中“奇数” 部分相同的自然数作为一组, 构成一个抽屉。

证明： 把前12个自然数划分为如下六个抽屉：

A1={120,121,122,123} A2={320,321,322} A3={520,521} A4={720} A5={920} A6={1120} 显然, 上述六个抽屉内的任意两个抽屉无公共元素, 且A1+A2+...+A6={1,2,3,...,12}.于是，由抽屉原理得，对于前12个自然数不论以何种方式从其中取出七个数，必定存在两个数同在上述六个抽屉的某一个抽屉内。设x、y是这两个数，因为A

4、A

5、A6都是单元素集，因此，x、y不可能同在这三个抽屉中的任何一个抽屉内。可见，x、y必同在A

1、A

2、A3的三个抽屉中的某一个之内，这样x和y两个数中，较大的数必是较小数的整数倍。 例2 学校组织1993名学生参观天安门，人民大会堂和历史博物馆，规定每人必须去一处，最多去两处参观。那么至少有多少学生参观的地方完全相同?

分析：我们可以把某学生参观某处记作“1”，没有去参观记作“0”。并用有序数组{a，b，c}表示学生去参观天安门、人民大会堂和历史博物馆的不同情况。因为规定每人必须去一处，最多去两处，所以参观的方式，只有下列六种可能：

{

1、

1、0} {

1、0、1} {0、

1、1} {

1、0、0} {0、

1、0} {0、0、1} 把这六种情况作为六个抽屉，根据抽屉原理，在1993名学生中，至少有 (1993)+1=333人参观的地方相同。 63.2利用余数构造抽屉

把所有整数按照除以某个自然数m的余数分为m类，叫做m的剩余类或同余类，用[0],[1],[2],„,[m1]表示。在研究与整除有关的问题时，常常用剩余类作为抽屉。

例3 对于任意的五个自然数，证明其中必有3 个数的和能被3 整除。

证明：任何数除以3 所得余数只能是0，1，2， 不妨分别构造为3个抽屉：[0]，[1]，[2]

1、若这五个自然数除以3 后所得余数分别分布在这3 个抽屉中(即抽屉中分别为含有余数为0,1,2 的数)，我们从这三个抽屉中各取1 个(如1到5中取3,4,5)，其和(3+4+5=12)必能被3 整除。

2、若这5 个余数分布在其中的两个抽屉中，则其中必有一个抽屉，包含有3 个余数(抽屉原理)，而这三个余数之和或为0，或为3，或为6，故所对应的3 个自然数之和是3 的倍数。

3、若这5 个余数分布在其中的一个抽屉中，很显然，必有3 个自然数之和能被3 整除。

3.3利用等分区间构造抽屉

所谓等分区间简单的说即是：如果在长度为1的区间内有多于n个的点，可考虑把区间n等分成n个子区间，这样由抽屉原理可知，一定有两点落在同一子

1区间，它们之间的距离不大于这种构造法常用于处理一些不等式的证明。

n例4 已知11个数x1,x2,,x11,全满足0xi1　,i=1,　2　　,11,证明必有两个xi,xj(ij)满足xixj1. 101.由抽屉原理，10证明：如图1，将实数轴上介于0与1那段(连同端点)等分为10小段(这10个小段也就是10个等分区间，即10个抽屉)，每一小段长为

1111个点(数)中至少有+1=2个点落在同一条小线段上，这两点相应的数之差

10的绝对值 1. 100

1 图1 对于给定了一定的长度或区间并要证明不等式的问题，我们常常采用等分区间的构造方法来构造抽屉，正如上面的例子，在等分区间的基础上我们便很方便的构造了抽屉，从而寻找到了证明不等式的一种非常特殊而又简易的方法，与通常的不等式的证明方法(构造函数法，移位相减法)相比，等分区间构造抽屉更简易，更容易被人接受。

3.4利用几何元素构造抽屉

在涉及到一个几何图形内有若干点时，常常是把图形巧妙地分割成适当的部分，然后用分割所得的小图形作抽屉。这种分割一般符合一个“分划”的定义，即抽屉间的元素既互不重复，也无遗漏;但有时根据解题需要，分割也可使得抽屉之间含有公共元素。

例5 如果直径为5的圆内有10个点，求证其中有某两点的距离小于2。 分析：把圆等分成9个扇形而构造出9个抽屉，是最先考虑到的，但显然是不行的(虽然有两个点在某一扇形内，但不能确认它们之间的距离小于2)。转而考虑先用一个与已知圆同心，半径为1 的不包含边界的小圆作为一个抽屉，然后把圆环部分等分成八个部分，如图二所示，这样就构成了9个抽屉。

证明：先将圆分成八个全等的扇形，再在中间作一个直径d=1.8的圆(如图2)，这就把已知的圆分成了9个区域(抽屉).由抽屉原理，圆内的10个点(球)，必有两点落在同一区域内，只须证明每个区域中的两点的距离都小于2.显然，小圆内任两点间的距离小于2，又曲边扇形ABCD中，AB2，AD2，CD2，而任两点距离最大者AC，有

AC =OA2OC22OAOCcos45

=2.520.922.50.92=3.88<2.

图2

3.5利用状态制构造抽屉

例6 设有六点，任意三点不共线，四点不共面，如果把这六个点两两用直线联系起来，并把这些直线涂以红色或者蓝色.求证：不论如何涂色，总可以找到三点，做成以它们为顶点的三角形，而这三角形三边涂有相同的颜色。

分析：设已知六点为A1,A2,A3,A4,A5,A6,由于任三点不共线，所以任三点均可作为某三角形的三个顶点。

证明：从六个点中任取一点A1，将A1与其余五点相连得到五条线段，线段如下所示： A1A2,A1A3,A1A4,A1A5,A1A6,这五条线段只有两种颜色即红色或者蓝色，由抽屉原理知，至少有三条涂有同一种颜色。颜色为抽屉，线段为元素，不妨设A1A2,A1A3,A1A4,涂有红色，这时我们考察△A2A3A4

(1)若△A2A3A4中有一条红色边，如A2A3，则△A1A2A3为三边同红的三角形;

(2)若△A2A3A4中无一条红色边，则△A2A3A4就是三边均为蓝色的三角形。4.抽屉原理的应用

4.1抽屉原理在高等数学中的应用

高等数学中一些问题抽象，复杂，解答比较困难，如果一些问题巧妙地运用抽屉原理会收到很好的效果，下列举例介绍抽屉原理在高等数学中的巧妙应用。

例7 设A为n阶方阵，证明：存在1in，

使秩(Ai)=秩(Ai1)=秩(Ai2)

证明：因为n阶方阵的秩只能是0,1　,　2,　　,n这n+1个一，

由抽屉原理可知，存在k,l满EA0,A,A2,,An,An1,E的个数多于秩的个数，足1k

秩(Ak)= 秩(Al), 但

秩(Ak)秩(Ak1)„秩(Al), 所以

秩(Ak)=秩(Ak1), 利用此式与秩的性质得

秩(ABC)秩(AB)+秩(BC)-秩(B), 这里的A,B,C是任意三个可乘矩阵，用数学归纳法可证

秩(Akm)=秩(Akm1). 其中m为非负整数，故命题的结论成立。

4.2抽屉原理在初等数论中的应用

例8 ( 中国剩余定理) 令m和n为两个互素的正整数，并令a和b为整数，且0am1以及0bn1，则存在一个正整数x，使得x 除以m 的余数是a，并且x 除以n 的余数为b， 即x可以写成xpma的同时又可以写成xqnb的形式，这里p 和q 是整数。

(n1)ma，证明: 为了证明这个结论考虑n 个整数a，ma，2ma，„，这些整数中的每一个除以m都余a. 设其中的两个除以n 有相同的余数r. 令这两个数为ima 和jma，其中存在两整数qi和qj，使得imaqinr及jmaqjnr，0ijn1.因此，这两个方程相减可得(ji)m(qjqi)n. 于是n是(ji)m的一个因子. 由于n和m没有除1 之外的公因子，因此n是ji的因子. 然而，0ijn1意味着，0jin1,也就是说n 不可能是ji的因子. 该矛盾产生于我们的假设: n个整数a，ma,2ma,...,(n1)ma中有两个除以n会有相同的余数。

因此这n个数中的每一个数除以n 都有不同的余数。

根据抽屉原理，n个数0，1，„，n1 中的每一个作为余数都要出现，特别地，数b也是如此。 令p 为整数，满足0pn1，且使数xpma 除以n余数为b. 则对于某个适当的q，有xqnb.

因此，xpma且xqnb，从而x具有所要求的性质。

5.结束语

本文对抽屉原理的常见形式及其应用结合实例做了一些探讨，为数学解题提供了一种简便的方法.应用抽屉原理解题的难点在于如何恰当的构造抽屉，而制造抽屉的办法是灵活多变的, 不能生搬硬套某个模式, 需要灵活运用。

参考文献

[1]陈景林,阎满富.组合数学与图论.北京：中国铁道出版社出版,2000.4-6 [2]曹汝成.组合数学.广州：华南理工大学出版社,2001.170-173 [3]钟颖.关于抽屉原理[J].成都教育学院学报，2003，17(7)：75. [4]朱华伟,符开广.抽屉原理[J].数学通讯，2006，19(17)：37. [5]忘向东,周士藩等.高等代数常用方法.山西：高校联合出版社,1989.64-66 [6]刘否南.华夏文集.太原：高校联合出版社,1995.88-90 [7]魏鸿增等.抽屉原理在高等数学中的应用.数学通报,1995,2.3-4 [8]严示健.抽屉原则及其它的一些应用.数学通报,1998,4.10-11

The Principle And Application Of The Drawer

Liu Xiaoli Abstract: this article emphatically from the drawer methods of constructing this drawer principle, and introduces the drawer principle and common form, and combined with the discusses the principle in the higher mathematics elementary theory and the application. Keywords: combinatorial mathematics ;drawer principle ;theory of drawer structure

第三篇：教案示例·原电池原理及其应用

教学目的

1.使学生理解原电池原理.

2.常识性介绍日常生活中常用的化学电源和新型化学电池. 教学重点：原电池原理. 教学难点：原电池原理.

教学方法：实验探究法——通过实验、分析、讨论、总结、应用等过程，诱导学生观察、思考、推理、探究.

教学用具：铁丝、铜丝、锌片、铜片、稀硫酸、导线、烧杯、电流计 教学过程：

[引言] 前几节我们学习了有关金属的知识，了解了铁和铜的性质.铁是比较活泼的金属，能溶于稀硫酸，铜是不活泼金属，不溶于稀硫酸.如果我们把铁和铜连接在一起，同时放到稀硫酸中，会发生什么现象呢?下面我们做这个实验.

[学生实验] 见课本图3-18 [讲述] 把铁丝和铜丝的上端连在一起，放入稀硫酸中，在金属丝上有电子流动，构成一个小电池我们叫它原电池.今天我们就来研究原电池的原理和应用.

[板书] 第四节 原电池原理及其应用

一、原电池

[实验] 下面我们用锌片和铜片、稀硫酸做实验 [投影]

[设疑] ①锌片和铜片分别插入稀硫酸的现象是什么? ②锌片和铜片用导线连接后插入稀硫酸中，铜片上为什么有气泡产生? ③锌片的质量有无变化?溶液中c(H+)如何变化? ④写出锌片和铜片上变化的离子方程式 ⑤电子流动的方向如何? [学生讨论] 略.

[板书] 锌片 Zn-2e-=Zn2+(氧化反应) 铜片 2H++2e-=H2↑(还原反应) 电子由锌片经导线流向铜片

[讲述] 我们知道，物质发生反应时，常伴有化学能与热能、光能等的相互转化.如：镁条在空气中燃烧的化学反应，伴有放热、发光等.这说明化学能转变为热能和光能.那么，我们做的这个实验是化学能转变为哪种能呢?

[学生回答] 略.

[教师总结] 这种化学能转变为电能的装置叫做原电池. [板书] 原电池的定义：化学能转变为电能的装置.

[讲述] 这一现象早在1799年被意大利的物理学家伏打捕捉到并加以研究，发明了世界上第一个电池：伏打电池，即原电池.

[投影] [学生填写下表]

[引导思考] 原电池的两极材料如何选择呢? [讨论] 略. [学生精读课本] [投影]

[讲述] 下面我们再做几个实验共同探讨一下原电池的组成条件和原理.请大家仔细观察现象，认真思考.

[投影]

[设疑] ①哪种装置可以形成原电池? ②正、负极各为什么物质?两极上各发生什么变化? ③电子的流动方向如何?

[学生讨论] A、B、C可形成原电池 (可让学生在黑板上书写电极反应式) [讲述] 1.通过以上我们做的几个实验，我们共同总结一下组成原电池的条件及原理. [讨论] 略.

[板书] 2.组成原电池的条件

①有两种活动性不同的金属(或一种是非金属导体)作电极. ②电极材料均插入电解质溶液中. ③两极相连形成闭合电路.

3.原电池的原理：较活泼的金属发生氧化反应，电子从较活泼的金属(负极)流向较不活泼的金属(正极) [讲述] 人们应用原电池原理，制作了多种电池，如：干电池、蓄电池、充电电池、高能电池等，以满足不同的需要.请同学们说说你所知道的电池的用途.

[投影] (课本图3-20，学生分别述说电池的用途) [板书]

二、化学电源

[讲述] 下面简单介绍几种常见电池和新型电池 1.干电池 [展示干电池实物] [学生讲述] 学生通过预先准备好的拆开的干电池介绍干电池的构造(正、负极以及电解质溶液) [阅读] 课本 2.铅蓄电池 3.锂电池 4.新型燃料电池 [练习] 1.X、Y、Z都是金属，把A浸入C的硝酸盐溶液中，A的表面有C析出，A与B组成原电池时，B为电池的负极.A、B、C三种金属的活动性顺序为

[

]

A.A>B>C

B.A>C>B C.B>A>C

D.B>C>A 2.试用三个实验来比较铁和铜的金属活动性，并写出离子方程式 [小结] 按板书的内容，归纳本节的内容和要点. [作业] 本节课本习题

一、1，2，

二、1，2，3 阅读选学内容：金属的电化学腐蚀

(天津红桥区教研室

孙秉从

五十一中莫华)

第四篇：压电传感器原理及其应用

摘要：压电式传感器，作为传感器的一种，它具有自己鲜明的特点。而且除了一些自然界中的晶体材料外，我们还有人工材料压电陶瓷。它们的应用也十分的广泛，在声学、医学、力学、宇航、振动测量、机械冲击都有不错的涉及。

关键字： 压电传感器

压电原理

应用

压电现象是100多年前居里兄弟研究石英时发现的。居里兄弟在研究热电性与晶体对称，发现正负电荷，而且电荷密度与压力大小成正比。居里兄弟所报道的这些晶体就有后来广为研究的铁电体酒石酸钾钠(罗息盐)。1881年，应用热力学原理预言了逆压电效应，即电场可以引起与之成正比的应变。很快这一预言被居了里兄弟用实验所证实了。自发现压电效应以来，这种类型的压电传感器就广泛应用于各个领域。经过多年的发展，压电传感器的材料、结构设计和工艺都有了很大的进步。而这些对改善传感器的性能起到了至关重要的作用。

一. 压电传感器的工作原理

1. 压电原理

一些离子型晶体的电介质(如石英、酒石酸钾钠、钛酸钡等)不仅在电场力作用下，而且在机械力作用下，都会产生极化现象。即：在这些电介质的一定方向上施加机械力而产生变形时，就会引起它内部正负电荷中心相对转移而产生电的极化，从而导致其两个相对表面(极化面)上出现符号相反的束缚电荷，且其电位移D(在MKS单位制中即电荷密度σ)与外应力张量T成正比;当外力消失，又恢复不带电原状;当外力变向，电荷极性随之而变。这种现象称为正压电效应，或简称压电效应。

基于压电效应人们研究出一种可以自发电式和机电转换式传感器。它的敏感元件由压电材料制成。压电材料受力后表面产生电荷。此电荷经电荷放大器和测量电路放大和变换阻抗后就成为正比于所受外力的电量输出。压电式传感器用于测量力和能变换为力的非电物理量。压电效应是压电传感器的主要工作原理，压电传感器不能用于静态测量，因为经过外力作用后的电荷，只有在回路具有无限大的输入阻抗时才得到保存。实际的情况不是这样的，所以这决定了压电传感器只能够测量动态的应力。 2. 压电材料

在自然界中，大多数的材料都具有压电效应，但是十分微弱。随着人们对压电材料的不断研究与发现，压电材料性能得以大大的提高。新型压电材料的研制成功极大地推动了压电传感器的进步。从最开始的石英到BaTi03压电陶瓷，错钦酸铅(PZT)压电陶瓷，再到压电聚合物如聚偏二氟乙烯(PVDF)等新型压电材料。单晶技术的进展培育了许多实用化的压电材料，薄膜工艺的进展为压电器件的平面化、集成化创造了条件。压电材料的这一系列进步为设计大量高性能的压电元件提供了技术保障。

二. 压电传感器的应用及发展

1. 压电式测力传感器

压电式测力传感器是利用压电元件直接实现力-电转换的传感器，在拉、压场合，通常较多采用双片或多片石英晶体作为压电元件。其刚度大，测量范围宽，线性及稳定性高，动态特性好。当采用大时间常数的电荷放大器时，可测量准静态力。按测力状态分，有单向、双向和三向传感器，它们在结构上基本一样。例如压电式单向测力传感器。该传感器适用于机床动态切削力的测量。主体包括绝缘套. 基座. 电极. 石英晶片. 上盖。 绝缘套用来绝缘和定位。基座内外底面对其中心线的垂直度、上盖及晶片、电极的上下底面的平行度与表面光洁度都有极严格的要求，否则会使横向灵敏度增加或使片子因应力集中而过早破碎。为提高绝缘阻抗，传感器装配前要经过多次净化(包括超声波清洗)，然后在超净工作环境下进行装配，加盖之后用电子束封焊。 2. 压电式加速度传感器

压电式加速度传感器又称压电加速度计。它也属于惯性式传感器。它是利用某些物质如石英晶体的压电效应，在加速度计受振时，质量块加在压电元件上的力也随之变化。当被测振动频率远低于加速度计的固有频率时，则力的变化与被测加速度成正比。

电荷输出压电加速度传感器，采用剪切和中心压缩结构形式。其原理利用压电晶体的电荷输出与所受的力成正比，而所受的力在敏感质量一定的情况下与加速度值成正比。在一定条件下，压电晶体受力后产生的电荷量与所感受到的加速度值成正比。

国内在压电加速度传感器方面的研究起步较晚，且结构设计和工艺水平落后于国外。目前国内压电传感器的主要结构是中心压缩型，较好的高冲击压电加速度传感器(中心压缩型)样机的主要技术指标为:最大冲击加速度100,000g，最高频响8kHz。在压电加速度传感器的研制方面，北戴河亿柏传感器技术研究所和西安204所做得较好。 3. 压电传感器用于报警装置

玻璃破碎报警装置它利用压电元件对振动敏感的特性来感知玻璃受撞击和破碎时产生的振动波。传感器把振动波转换成电压输出，输出电压经放大、滤波、比较等处理后提供给报警系统。玻璃破碎时会发出几千赫兹至几十千赫兹的振动，使用时将高分子压电薄膜传感器粘贴在玻璃上，感受这一振动，然后通过电缆和报警电路相连，将压电信号传送给集中报警系统。为了提高报警器的灵敏度，信号经放大后，再经带通滤波器进行滤波，要求它对选定的频谱通带的衰减要小，而频带外衰减要尽量大。玻璃振动的波长在音频和超声波的范围内，这就使滤波器成为电路中的关键。只有当传感器输出信号高于设定的阈值时，才会输出报警信号，驱动报警执行机构工作。玻璃破碎报警器可广泛用于文物保管、贵重商品保管及其他商品柜台保管等场合 4. 压电陶瓷应用

压电陶瓷具有极高的灵敏度，压电高压发生器利用正压效应可以把振动转换成电能，还可以获得高电压输出。这种获得高电压的方法可以用来做引燃装置，如给汽车火花塞、煤气灶、打火机、炮弹的引爆压电雷管等点火。

压电传感器发展迅速，当今世界各国压力传感器的研究领域也十分广泛。归纳起来主要有以下几个趋势。(1)小型化。小型化会带来很多好处，重量轻、体积小、分辨率高，便于安装 在很小的地方对周围器件影响小，也利于微型仪器、仪表的配套使用。(2)集成化。压力传感器已经越 来越多的与其它测量用传感器集成以形成测量 和控制系统，集成系统在过 程控制和工厂自动化中可以提高操作速度和效率。(3)智能化。由于集成化的出现，在集成电 路中可添加一些微处理器，使得传 感器具有自动补偿、通讯、自诊断、逻辑判断等功能。(4)系统化。单一化产品在市场上没有大的竞争力。市场风云突变，一旦失去 市场，发展则停滞不前，经济效益差，资金浪费大，产品成本高。(5)标准化。传感器的设计与制造已经形成了一定的行业标准。如 IEC、ISO 国际标准，美国的 ANSIC、ANSC、MIL-T 和 ASTME 标准，日本 JIS 标准，法国 DIN 标准。

三、总结

压电式传感器，作为传感器的一种，它具有自己鲜明的特点。而且除了一些自然界中的晶体材料外，我们还有人工材料压电陶瓷。它们的应用也十分的广泛，在声学、医学、力学、宇航、振动测量、机械冲击都有不错的涉及。

但是，压电传感器在拥有众多优点的同时，也存在着许多缺点，展望今后的研究重点，可能会有以下几个方面：(1)从研究的成果来看，理论研究离工程实用还有一定的差距，工程实用化方面研究也相当薄弱，具体表现在理论及仿真研究较多，而实验验证相对较少，研究对象以简单的梁板结构较多，对复杂结构的研究还相当欠缺。 (2)压电元件非线性特性的研究。由于压电材料的极化特性，压电系统只能在一定范围内满足近似的线性要求，并容易受外界多种环境的影响。非线性特性的存在使压电元件重复性差、检测精度低，瞬态位置响应速度慢，可控性变差，成为压电元件进一步工程应用的主要障碍之一。为减小这种非线性特性所造成的不良影响，更好地发挥压电元件的性能，国内外很多科研机构从压电元件非线性特性形成机理、外环及内环非线性特性及控制方法等方面开展了相关研究。 (3)压电材料的压电特性有待于进一步提高，这使得压电材料的应用受到极大限制。各国学者正在努力开发，一旦找到一种优异的压电材料，将会取代传统的、笨重的机电换能设备，如电动机、马达等。到那时，压电研究将会全方位地发展，甚至可能影响到我们生活的各个方面。我相信随着科技的发展，人工材料会制作的更加完美，压电式传感器会更加适合人们的要求。压电式传感器和科技将会互相推动互相发展。

第五篇：《原电池原理及其应用》教学设计

长沙市第二十九中学 曾燕

一、 教学目标

(一)、认知目标

1.掌握原电池原理，组成原电池的必要条件及其原电池的能量变化。 2.了解几种新型化学电池，拓展学生的视野。

3.自制瓜果电池，激发学生对化学的学习兴趣，巩固原电池原理。

(二)、能力目标

1.培养学生设计实验、动手观察实验的能力。 2.培养学生重视过程的研究。 3.培养学生表达和逻辑推理能力。 4.引导学生学会探究学习的方法。

二、 教学重点和难点

重点：原电池原理，电极方程式的书写。 难点：原电池原理。

三、 教学过程

[导入]：

教师出示干电池提出设问：干电池中的电是怎样产生的呢?今天我们来探究这个问题。 [学生实验]：

(1)将锌片和铜片分别放入盛有稀硫酸的烧杯里。

(2)将用导线连接的锌片和铜片同时放入盛有稀硫酸的烧杯里。 (3)在上述实验(2)的导线中间连接一个电流计。 [学生描述实验现象]：

(1)锌片和铜片单独放入稀硫酸中，锌片上有气泡产生，而铜片上没有。

(2)用导线相连接的锌片和铜片同时放入稀硫酸中，铜片上有气泡产生。

(3)实验(3)中电流计指针发生偏转。 [教师提问]：产生这些现象的原因是什么? [思考]：

(1)锌片的质量有什么变化?

(2)锌片的电子为什么会流向铜片? (3)铜片上为什么有气泡产生?

(4)从氧化-还原反应的角度来分析两极各发生什么变化? (5)从能量转变的角度来分析原电池是一种什么装置?

学生在教师指导下阅读课文，共同讨论，寻找答案，探究原电池的原理。

播放多媒体动画，使学生直观的理解电子转移这一微观现象。 [电极方程式]： 负极：锌片：Zn-2e→Zn2+ (氧化反应)

正极：铜片：2H++2e→H2↑(还原反应) 总的离子方程式：Zn+2H+→Zn2++ H2↑

[教师提问]：用其它金属或石墨作为电极,将导线相连同时放入其它溶液中，能否产生电流，组成原电池?

学生分组讨论，设计实验，通过实验加以验证，从而找出规律。 [提供的实验药品及仪器]：

铝片、锌片、铁片、铜片、石墨、稀盐酸、氢氧化钠溶液、硫酸铜溶液、导线、电流计、小电珠、音乐集成块、酒精溶液、烧杯等。

学生通过共同讨论，设计出如下的实验并进行操作。 [学生实验]：(1)铁片和铜片用导线连接放入稀盐酸中。

(2)铁片与石墨用导线连接放入硫酸铜溶液中。 (3)铝片和铁片用导线连接放入氢氧化钠溶液中。 (4)锌片和铜片用导线连接放入酒精溶液中。

每组实验的导线中间可随意连接一个电流计、一个小电珠或一个音乐集成块。 [实验现象]：实验(1)、(2)、(3)中电流计指针偏转了，小电珠亮了，悦耳的音乐响起了;实验(4)没有现象，说明没有电流产生。

[学生书写电极方程式]：略。

学生通过进行有趣的探究性实验，仔细观察实验现象，师生共同讨论，得出准确结论。(1)形成原电池的必要条件：a、两个相连的电极(较活泼的金属是负极，较不活泼的金属或非金属石墨是正极。)b、电解质溶液。(2)原电池的原理：较活泼的金属作负极，发生氧化反应;较不活泼的金属或非金属石墨作正极，发生还原反应;电子由负极经过外电路流向正极。(3)原电池的能量变化：化学能转变成电能。

[教师陈述]：干电池就是原电池，将化学能转变成电能，干电池中的电流就是这样产生的。

[巩固练习]：

1、有A、B、C、D四种金属作电极，将A与B用导线连接浸入硫酸铜溶液中， B上析出铜;将C、D用导线连接浸入稀硫酸中，C上有气泡产生;将A、D用导线连接浸入稀硫酸中，电流从A沿导线流向D;将B浸入C的盐溶液里，B上有C析出。据此判断它们的活泼性由强到弱的顺序是(

)

(A)D C A B

(B)D B A C

(C)D A B C (D) B A D C

2、有A、B两个电极，用导线连接一个电流计，放入盛有C溶液的烧杯中，B棒质量增加，则装置中可能的情况是(

) (A)A作负极，C是硫酸铜溶液

(B)A作阴极，C是硫酸铜溶液

(C)A作负极，C是硫酸溶液

(D)A作正极，C是硫酸铜溶液

3、在盛有稀硫酸的烧杯中，有锌片和石墨两个电极，用导线连接一个电流计，关于此装置的下列说法正确的是(

) (A)石墨为负极

(B)锌片上有气体放出，溶液PH值增大 (C)电子由锌片沿导线流向石墨

(D)H+向正极移动，发生氧化反应

4、下列叙述中：①锌跟稀硫酸反应制取氢气，加少量硫酸铜溶液能加快反应速度;②生铁跟稀硫酸反应比纯铁慢;③镀层破坏后，白铁皮(镀锌铁)比马口铁(镀锡铁)更易被腐蚀，正确的是( ) (A)①②③

(B)①③

(C)①② (D)①

[拓展知识]：联系生活，介绍几种新型的化学电池：如燃料电池、银锌电池(纽扣电池)、海水电池等扩大学生的视野，激发学生的求知欲。 [家庭实验]]：每个学生回家设计一个瓜果电池，并通过实验巩固原电池原理。

板书设计

第四节

原电池原理及其应用

一、电池的工作原理

概念：把化学能转化为电能的装置叫做原电池。 负极锌片：Zn-2e-=Zn2+(氧化反应) 正极铜片：2H++2e-=H2(还原反应) 总反应式：Zn+2H+=Zn2++H2↑

二、组成原电池的条件

1.有活泼性不同的两个电极。 (1)一种金属与一种能导电的非金属。 (2)两种活泼性不同的金属。 2.两极均插入电解质溶液中。 3.两极相连形成闭合回路。