Chuyên đề Vật lí 11 CTST Bài 8. Cảm biến và bộ khuếch đại thuật toán lí tưởng có đáp án

28 người thi tuần này 4.6 811 lượt thi 13 câu hỏi

Câu 1

Nhà thông minh (Smart Home) là nhà được thiết kế để người dùng có thể kiểm soát các chức năng như bảo mật, nhiệt độ, ánh sáng,... nhờ các thiết bị được điều khiển tự động. Một trong các thiết bị đóng vai trò quan trọng để điều khiển tự động là các cảm biến. Vậy, cảm biến là gì và nguyên tắc hoạt động của chúng ra sao? Nếu tín hiệu từ cảm biến quá nhỏ, không đủ để hệ thống hoạt động thì phải xử lí như thế nào?

Xem đáp án

Lời giải

Trả lời:

Cảm biến là thiết bị điện tử cảm nhận những trạng thái hay quá trình vật lí và biến đổi thành tín hiệu điện để thu thập thông tin về trạng thái hay quá trình đó.

Nếu tín hiệu từ cảm biến quá nhỏ, không đủ để hệ thống hoạt động thì sử dụng thêm bộ khuếch đại để tăng biên độ của điện tín hiệu điện lên nhiều lần. Bộ khuếch đại có ưu điểm không làm thay đổi dạng tín hiệu.

Câu 2

Các hoạt động nào sau đây có thể sử dụng cảm biến? Chỉ ra loại cảm biến có thể sử dụng.

a) Bật đèn khi cường độ sáng của không gian xung quanh đèn giảm đến một giá trị đã được cài đặt trước.

b) Mở cửa sau khi xác nhận người đang đứng trước cửa thuộc danh sách được vào nhà.

c) Thông báo sự xuất hiện cháy nổ, khói, rò rỉ ga trong nhà.

d) Thông báo sự xuất hiện của người lạ trong nhà.

e) Đóng mở cửa giếng trời.

f) Mở hệ thống tưới nước cho cây khi độ ẩm của đất giảm đến một giá trị đã được cài đặt trước.

Xem đáp án

Lời giải

Trả lời:

Tất cả các hoạt động dưới đều có thể sử dụng cảm biến.

a) – sử dụng cảm biến ánh sáng

b) – sử dụng cảm biến lực (người dùng vân tay mở cửa)

c) – sử dụng cảm biến báo cháy

Các hoạt động nào sau đây có thể sử dụng cảm biến (ảnh 1)

d) – sử dụng cảm biến hồng ngoại báo động

e) – sử dụng cảm biến ánh sáng

f) – sử dụng cảm biến kiểm tra độ ẩm ứng dụng trong nông nghiệp

Các hoạt động nào sau đây có thể sử dụng cảm biến (ảnh 2)

Câu 3

* Xây dựng ý tưởng dự án và quyết định chủ đề:

- Mục đích:

Phân loại một số cảm biến theo nguyên tắc hoạt động phạm vi sử dụng và hiệu quả kinh tế (như cảm biến sử dụng điện trở nhiệt, cảm biến sử dụng điện trở phụ thuộc ánh sáng), tìm hiểu một số tính chất cơ bản của bộ khuếch đại thuật toán lí tưởng.

- Vấn đề thực tiễn:

Với sự phát triển của khoa học công nghệ hiện nay thì việc sử dụng các cảm biến cho các hoạt động diễn ra trong ngôi nhà của chúng ta và một số hoạt động trong cuộc sống là điều tất yếu. Việc lựa chọn cảm biến cho từng mục tiêu cụ thể cũng phải được nghiên cứu kĩ, vừa đảm bảo hoạt động hiệu quả trong từng mạch điện ứng dụng, vừa phù hợp với nhu cầu và khả năng kinh tế của người sử dụng. Hãy thực hiện các hoạt động để cụ thể hoá các mục đích của dự án.

* Lập kế hoạch thực hiện dự án:

– Phân tích các hoạt động trong ngôi nhà hoặc trong cuộc sống có thể sử dụng cảm biến.

– Tìm hiểu các nguồn tài liệu tham khảo về các cảm biến được lựa chọn.

– Thiết lập danh mục các cảm biến được chọn trong đó nêu rõ: chức năng, nguyên tắc hoạt động, ứng dụng và giá thành tại thời điểm báo cáo dự án với từng loại cảm biến (Bảng 8.1).

– Tìm hiểu sơ đồ nguyên lí hoạt động của cảm biến sử dụng điện trở phụ thuộc ánh sáng và cảm biến sử dụng điện trở nhiệt, nguyên lí hoạt động của các mạch điện có sử dụng bộ khuếch đại thuật toán lí tưởng.

– Thực hiện 2 video minh hoạ về nguyên tắc hoạt động của cảm biến sử dụng điện trở phụ thuộc ánh sáng và cảm biến sử dụng điện trở nhiệt (Bảng 8.2).

– Thống kê một số ứng dụng của bộ khuếch đại thuật toán lí tưởng trong thực tế tương ứng với từng tính chất cơ bản của nó (Bảng 8.3).

– Xử lí thông tin và điền thông tin vào các Bảng 8.1, 8.2 và 8.3.

* Báo cáo kết quả:

Công bố sản phẩm và báo cáo kết quả thực hiện dự án.

Xem đáp án

Lời giải

Trả lời:

Học sinh tự thực hiện các hoạt động theo hướng dẫn ở trên và có thể tham khảo bảng báo cáo dưới đây

Bảng 8.1. Thông tin kết quả tìm hiểu dự án nghiên cứu về cảm biến

STT	Cảm biến	Chức năng	Nguyên tắc hoạt động	Ứng dụng	Giá thành
1	Khoảng cách	Xác định khoảng cách từ điểm đặt cảm biến đến điểm cần xét	Tia laser hoặc sóng siêu âm được phát ra từ máy đo khoảng cách, khi gặp vật thể sẽ bị phản xạ và quay trở lại máy đo. Sau khi ghi nhận tín hiệu phản xạ, máy đo sẽ phân tích và xác định khoảng cách từ máy đo đến vật thể cần xét.	Định vị vị trí container (được lắp trên cần cẩu tại cảng), xác định mức chất lỏng hoặc lượng chất rắn trong bồn chứa, phát hiện vật cản	Vài chục nghìn đồng
2	Tốc độ	Đo tốc độ của vật chuyển động	- Dựa vào hiện tượng cảm ứng điện từ: chuyển động của cuộn dây trong từ trường hoặc cho từ trường biến thiên thì trong cuộn dây xuất hiện suất điện động có giá trị phụ thuộc tốc độ chuyển động, từ đó xác định được tốc độ của vật. - Dựa vào hiệu ứng Doppler: thiết bị phát sóng tới vật chuyển động, thu nhận sóng phản xạ sau đó phân tích xác định được tốc độ của vật.	- Kiểm soát tốc độ xe - Máy xác định tốc độ từ xa	Vài trăm nghìn đồng
3	Ánh sáng	Điều khiển các thiết bị liên quan đến ánh sáng	Sử dụng các diode phát quang hoạt động dựa trên hiện tượng quang điện trong, tín hiệu quang được biến đổi thành tín hiệu điện.	Các thiết bị điều khiển từ xa, thiết bị điện tử, thiết bị y tế, thiết bị đo lường, thiết bị bật tắt đèn tự động, báo trộm.	Vài chục nghìn đến vài triệu đồng
…	…	…	…	…	…

- Phần video các em tự hoàn thiện và điền vào bảng 8.2

Bảng 8.3. Thống kê ứng dụng của bộ khuếch đại thuật toán lí tưởng

Tính chất cơ bản	Ứng dụng
Hệ số khuếch đại vòng hở vô cùng lớn, cho phép khuếch đại các tín hiệu có biên độ rất nhỏ thành tín hiệu đầu ra có biên độ lớn.	Học sinh tự tìm hiểu điền các ứng dụng tương ứng
Tổng trở đầu vào của op-amp rất lớn, điều này giúp cho dòng điện đầu vào bằng 0, mạch khuếch đại những nguồn tín hiệu có công suất bé.
Tổng trở đầu ra của op-amp rất nhỏ, mạch nối với đầu ra của op-amp không bị sụt áp, cho phép op-amp cung cấp dòng tốt cho phụ tải.
Đáp ứng tần số cao, tức là op-amp hoạt động rất linh hoạt trên nhiều dải tần số tín hiệu dầu vào.

Câu 4

Vì sao cảm biến khoảng cách sử dụng sóng siêu âm có thể phát hiện được sản phẩm bị móp, méo hoặc nứt trên băng chuyền?

Xem đáp án

Lời giải

Trả lời:

Vì cảm biến khoảng cách sử dụng tia laser có ưu điểm như vùng đo rộng, độ chính xác cao cỡ milimet, thời gian đo ngắn, đưa ra kết quả chính xác trong phạm vi 0,05 m đến 300 m chỉ trong khoảng thời gian tối đa 0,5 s.

Câu 5

Tìm hiểu đặc điểm của máy xác định tốc độ từ xa dùng tia laser và so sánh với máy xác định tốc độ dùng sóng radar.

Xem đáp án

Lời giải

Trả lời:

Máy đo tốc độ bằng sóng radio

Trên máy đo tốc độ này có một radar hay còn gọi là hệ thống dò tìm và định vị bằng sóng vô tuyến. Radar phát ra một chùm sóng vô tuyến với tần số hoạt động xác định, theo Autoevolution.

Tìm hiểu đặc điểm của máy xác định tốc độ từ xa dùng tia laser và so sánh với máy xác định tốc độ dùng sóng radar (ảnh 1)

Một cảnh sát sử dụng máy bắn tốc độ cầm tay.

Khi một ôtô tiến vào vùng sóng của radar, ngay lập tức một tín hiệu phản xạ điện từ dội lại. Đồng thời tần số sóng radio cũng thay đổi do khoảng cách tương đối giữa radar và xe thay đổi.

Mức độ tăng hay giảm của tần số sóng radio phụ thuộc vào tốc độ của xe chuyển động trong vùng sóng phát ra từ radar. Nếu tần số tăng, xe đang di chuyển về hướng người cầm máy bắn tốc độ và ngược lại, tần số giảm khi xe di chuyển ra xa người cầm máy. Việc xác định tốc độ của xe dựa vào hiệu ứng vật lý Doppler khi có thể xác định tốc độ chuyển động của một vật nhờ vào sự thay đổi tần số của nguồn sóng phát ra.

Máy đo tốc độ bằng tia laser

Máy đo tốc độ bằng tia laser tính toán thời gian phản hồi của ánh sáng từ lúc phát ra, tiếp xúc với vật thể di chuyển và dội ngược về máy. Loại máy này có thể phát ra chùm sáng trong 0,3 - 0,7 giây và "khóa" mục tiêu trong phạm vi 800 m.

Bằng cách thực hiện thao tác phát ra ánh sáng, thu thập dữ liệu liên tục trong thời gian ngắn, tốc độ của phương tiện đang di chuyển có thể được xác định.

Tìm hiểu đặc điểm của máy xác định tốc độ từ xa dùng tia laser và so sánh với máy xác định tốc độ dùng sóng radar (ảnh 2)

Máy xác định tốc độ gắn cố định trên đường phố.

Máy đo tốc độ là công cụ hữu hiệu hỗ trợ cho cảnh sát giúp phát hiện những trường hợp lái xe quá tốc độ quy định. Máy có thể được lắp đặt cố định trên đường, trên xe cảnh sát, di động kiểu cầm tay hoặc cảnh sát có thể ngụy trang khi làm nhiệm vụ.

Câu 6