Chuyên đề Vật lí 11 Bài 1 (Cánh diều): Thiết bị cảm biến và khuếch đại thuật toán

Giải Chuyên đề Vật lí 11 Bài 1: Thiết bị cảm biến và khuếch đại thuật toán

Mở đầu trang 36 Chuyên đề Vật Lí 11: Ngày nay, các thiết bị điện tử, đặc biệt là các thiết bị cảm biến được dùng phổ biến trong nhiều lĩnh vực. Ở Hình 1.1, cảm biến nhiệt độ bên trong lồng ấp trứng gà sẽ giúp bộ xử lí điều khiển các thiết bị sưởi ấm và làm mát để giữ nhiệt độ ổn định phù hợp với việc ấp trứng. Lồng ấp trứng giống như một gà mẹ khổng lồ mà sau mỗi lần “ấp ủ” đã cho ra đời hàng trăm chú gà con, giúp nâng cao năng suất ấp trứng gà.

Các cảm biến đã hoạt động theo cách thức như thế nào mà làm được những công việc như vậy?

Lời giải:

Cảm biến đã hoạt động dựa trên sự thay đổi nhiệt độ trong lò ấp. Khi nhiệt độ lên cao thì cảm biến thay đổi điện trở, điều chỉnh dòng điện, nhiệt lượng toả ra thay đổi, ngược lại khi nhiệt độ xuống thấp hơn mức cài đặt thì cảm biến lại điều chỉnh dòng điện.

I. Bộ cảm biến

Câu hỏi 1 trang 37 Chuyên đề Vật Lí 11: Nêu đặc tính cơ bản của phần tử cảm biến.

Lời giải:

Phần tử cảm biến là phần tử có thể phát hiện/ nhận biết và đáp ứng một kích thích của môi trường. Đây là phần quan trọng nhất của một bộ cảm biến. Chức năng của nó là cảm nhận sự biến thiên của yếu tố tác động lên nó (như nhiệt độ, áp suất, cường độ ánh sáng,..)

II. Phân loại cảm biến

Câu hỏi 2 trang 37 Chuyên đề Vật Lí 11: Lấy ví dụ về thiết bị có sử dụng cảm biến ở nhà của bạn.

Lời giải:

Một số thiết bị, vật dụng có sử dụng cảm biến

- Nhiệt kế hồng ngoại

- Cảm biến báo cháy

- Cảm biến vị trí trục cam (ô tô)

Câu hỏi 3 trang 38 Chuyên đề Vật Lí 11: Lấy ví dụ để phân loại các bộ cảm biến theo nguyên tắc hoạt động, hiệu quả kinh tế.

Lời giải:

Phân loại theo nguyên tắc hoạt động:

- Cảm biến chủ động, ví dụ như cảm biến siêu âm trên các ô tô hiện đại, đèn cảm biến sáng/tối tự động, và cảm biến thụ động ví dụ như cảm biến ánh sáng phát hiện xem có ánh sáng chiếu vào nó hay không.

- Dựa vào cách thức phát hiện tín hiệu được sử dụng trong cảm biến: ví dụ như cách thức phát hiện là điện, hoá học, sinh học, phóng xạ, …

- Dựa vào hiện tượng chuyển đổi, ví dụ như hiện tượng chuyển đổi phổ biến là quang điện, nhiệt điện, …

- Cảm biến tương tự và cảm biến kĩ thuật số, dựa vào tín hiệu đầu ra là tín hiệu liên tục hay hoạt động dưới dạng dữ liệu số.

Phân loại theo hiệu quả kinh tế:

Cùng một loại cảm biến nhưng người ta dựa vào nhu cầu sử dụng, giá cả, tính năng, tuổi thọ, độ tin cậy để lựa chọn. Ví dụ như cùng cảm biến nhiệt độ nhưng có loại có chức năng kết nối từ xa, điều khiển hệ thống, nhưng có những lại chỉ có chức năng hiển thị nhiệt độ là bao nhiêu, không có thêm các tính năng khác.

III. Cảm biến sử dụng điện trở phụ thuộc ánh sáng

Câu hỏi 4 trang 39 Chuyên đề Vật Lí 11: Giá trị điện trở của LDR trong Hình 1.6 thay đổi như thế nào khi cường độ ánh sáng tăng lên?

Lời giải:

Giá trị của điện trở giảm khi cường độ ánh sáng tăng lên.

Câu hỏi 5 trang 39 Chuyên đề Vật Lí 11: LDR được sử dụng làm một phần tử cảm biến như thế nào?

Lời giải:

LDR được sử dụng làm một phần tử cảm biến do ánh sáng làm cho điện trở của LDR thay đổi, gián tiếp điều chỉnh điện áp đầu ra, nên có thể dùng LDR để cảm nhận sự biến thiên cường độ ánh sáng, tức là dựa vào sự biến thiên điện trở của LDR để xác định cường độ ánh sáng.

Câu hỏi 6 trang 39 Chuyên đề Vật Lí 11: Vẽ sơ đồ khối thể hiện nguyên tắc hoạt động của bộ cảm biến dùng LDR làm phần tử cảm biến.

Lời giải:

Sơ đồ khối thể hiện nguyên tắc hoạt động của bộ cảm biến dùng LDR làm phần tử cảm biến.

Câu hỏi 7 trang 40 Chuyên đề Vật Lí 11: Hình 1.8 thể hiện sơ đồ mạch điện của một bộ chia điện thế. Nguồn điện có suất điện động 6,00 V và điện trở trong không đáng kể được mắc nối tiếp với điện trở cố định 120 $\Omega$và biến trở có điện trở thay đổi từ 0 $\Omega$đến 200 $\Omega$. Xác định phạm vi hiệu điện thế có thể có giữa hai đầu điện trở cố định.

Lời giải:

Khi biến trở có điện trở 0 $\Omega$thì cường độ dòng điện qua mạch là:

$I=\frac{\text{E}}{R+R_b}=\frac{6}{120+0}=0,05A$

Hiệu điện thế hai đầu điện trở R là: U = I.R = 6 V

Khi biến trở có điện trở 200 $\Omega$thì cường độ dòng điện qua mạch là:

$I=\frac{\text{E}}{R+R_b}=\frac{6}{120+200}\approx 0,02A$

Hiệu điện thế hai đầu điện trở R là: U = I.R = 2,4 V

Phạm vi hiệu điện thế có thể có giữa hai đầu điện trở cố định từ 2,4 V đến 6 V.

IV. Cảm biến sử dụng điện trở nhiệt

Câu hỏi 8 trang 41 Chuyên đề Vật Lí 11: Vẽ sơ đồ mạch điện thể hiện nguyên tắc dùng NTC làm phần tử cảm biến.

Lời giải:

Sơ đồ mạch điện thể hiện nguyên tắc dùng NTC làm phần tử cảm biến

Luyện tập 1 trang 41 Chuyên đề Vật Lí 11: Trên Hình 1.12, điện trở của điện trở nhiệt NTC thay đổi từ 20 $k\Omega$ ở 20°C đến 100 $\Omega$ ở 60°C. Tính hiệu điện thế ra U_ra giữa hai đầu điện trở nhiệt ở hai nhiệt độ này.

Lời giải:

Khi điện trở nhiệt có điện trở 20 $k\Omega$ thì cường độ dòng điện qua mạch là:

$I=\frac{\text{E}}{R+R_b}=\frac{10}{1000+20000}=4,{8.10}^{-4}A$

Hiệu điện thế U_ra là: U_ra = I.R_b = 4,8.10^-4.20000 = 9,6 V

Khi điện trở nhiệt có điện trở 100 $\Omega$thì cường độ dòng điện qua mạch là:

$I=\frac{\text{E}}{R+R_b}=\frac{10}{1000+100}\approx 9,{1.10}^{-3}A$

Hiệu điện thế U_ra là: U_ra = I.R_b = 9,1.10^-3.100 = 0,91 V

Luyện tập 2 trang 41 Chuyên đề Vật Lí 11: Thay thế điện trở nhiệt trong Hình 1.12 bằng điện trở phụ thuộc ánh sáng (LDR). Hiệu điện thế đầu ra U_ra sẽ tăng hay giảm khi LDR được chiếu sáng? Giải thích câu trả lời.

Lời giải:

Khi LDR được chiếu sáng, điện trở của nó giảm, dẫn đến hiệu điện thế đầu ra giảm.

V. Khuếch đại thuật toán

Câu hỏi 9 trang 43 Chuyên đề Vật Lí 11: Hãy nêu các tính chất của bộ khuếch đại thuật toán lí tưởng.

Lời giải:

Tính chất bộ khuếch đại thuật toán lí tưởng:

- Hệ số khuếch đại của bộ thuật toán lí tưởng bằng vô cùng. Trên thực tế hệ số khuếch đại có thể lên tới vài trăm ngàn. Chính vì vậy, bộ khuếch đại thuật toán lí tưởng có thể khuếch đại được tín hiệu có biên độ rất nhỏ.

- Bộ khuếch đại thuật toán lí tưởng cho phép khuếch đại được tín hiệu có công suất rất nhỏ mà không làm suy giảm tín hiệu do bị tiêu hao năng lượng ở lối vào và dòng điện ở lối ra không bị suy giảm do tiêu hao năng lượng trong mạch khuếch đại khi nó được nối với tải.

- Bộ khuếch đại thuật toán lí tưởng hoạt động ở mọi tần số.

- Tín hiệu lối vào khuếch đại thuật toán lí tưởng gần như ngay lập tức được khuếch đại thành tín hiệu lối ra mà không có thời gian trễ.

- Bộ khuếch đại thuật toán lí tưởng không gây nhiễu trong quá trình khuếch đại.

Câu hỏi 10 trang 44 Chuyên đề Vật Lí 11: Khi tham quan thực tế, bạn cần chú ý điều gì để giữ an toàn cho bản thân và người khác?

Lời giải:

Khi tham quan thực tế, bạn cần tuân thủ các quy tắc, nội quy tại nơi tham quan để tránh gây ra các hậu quả như hỏng hóc thiết bị, ảnh hưởng đến sức khoẻ của bản thân và người khác.

Thực hành, khám phá trang 44 Chuyên đề Vật lí 11:

1. Mục đích

Tìm hiểu về cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của thiết bị cảm biến

2. Nhiệm vụ cần thực hiện

• Quan sát thiết bị.

• Chụp ảnh thiết bị.

• Thu thập thông tin từ người hướng dẫn về cấu trúc và nguyên tắc hoạt động của thiết bị đang tìm hiểu.

3. Báo cáo kết quả

Ghi kết quả tìm hiểu vào Bảng như ví dụ sau:

Lời giải:

Các bạn có thể tham khảo bảng dưới đây

Vận dụng trang 45 Chuyên đề Vật Lí 11: Dự án tìm hiểu cảm biến và khuếch đại thuật toán.

1. Thảo luận để trả lời các câu hỏi

• Có thể phân loại cảm biến theo nguyên tắc hoạt động, phạm vi sử dụng, hiệu quả kinh tế bằng những ví dụ cụ thể nào?

• Nguyên tắc hoạt động của điện trở phụ thuộc ánh sáng và của điện trở nhiệt là gì?

• Làm thế nào để chuyển điện trở phụ thuộc ánh sáng và điện trở nhiệt thành phần tử cảm biến trong các bộ cảm biến?

• Tính chất cơ bản của bộ khuếch đại thuật toán lí tưởng là gì?

• Thiết bị cảm biến được ứng dụng như thế nào?

2. Thảo luận, thống nhất nội dung cần tìm hiểu

3. Lập kế hoạch, thực hiện dự án của nhóm

Xác định các nhiệm vụ cần thực hiện để hoàn thành sản phẩm dự án, phân chia nhiệm vụ cho các thành viên trong nhóm; xác định thời hạn hoàn thành, phương tiện khảo sát, thu thập, xử lí thông tin và sản phẩm dự kiến.

4. Thực hiện dự án, báo cáo và thảo luận

• Tiến hành tìm hiểu, thu thập, xử lí thông tin theo kế hoạch và xây dựng sản phẩm trình bày trên lớp.

• Báo cáo về quá trình thực hiện và kết quả dự án tìm hiểu.

Lời giải:

Các em có thể tham khảo bảng dưới đây để tự hoàn thiện báo cáo của từng cá nhân.

Tính chất bộ khuếch đại thuật toán lí tưởng:

- Hệ số khuếch đại của bộ thuật toán lí tưởng bằng vô cùng. Trên thực tế hệ số khuếch đại có thể lên tới vài trăm ngàn. Chính vì vậy, bộ khuếch đại thuật toán lí tưởng có thể khuếch đại được tín hiệu có biên độ rất nhỏ.

- Bộ khuếch đại thuật toán lí tưởng cho phép khuếch đại được tín hiệu có công suất rất nhỏ mà không làm suy giảm tín hiệu do bị tiêu hao năng lượng ở lối vào và dòng điện ở lối ra không bị suy giảm do tiêu hao năng lượng trong mạch khuếch đại khi nó được nối với tải.

- Bộ khuếch đại thuật toán lí tưởng hoạt động ở mọi tần số.

- Tín hiệu lối vào khuếch đại thuật toán lí tưởng gần như ngay lập tức được khuếch đại thành tín hiệu lối ra mà không có thời gian trễ.

- Bộ khuếch đại thuật toán lí tưởng không gây nhiễu trong quá trình khuếch đại.

Xem thêm giải bài tập Chuyên đề Vật lí 11 sách Cánh diều hay, chi tiết khác:

Bài 2: Cường độ trường hấp dẫn. Thế hấp dẫn và thế năng hấp dẫn

Bài 3: Chuyển động trong trường hấp dẫn

Bài 1: Biến điệu

Bài 2: Truyền tín hiệu

Bài 2: Thiết bị đầu ra