IB物理/數字技術

14.1 模擬和數字訊號

14.1.1 解決涉及二進位制數和十進位制數之間轉換的問題

在二進位制系統中，僅使用0和1來表示一個數字。從右端開始，每個數字分別對應於2⁰、2¹、2²，依此類推。

例如，101001₍₂₎ = 1×2⁵ + 0×2⁴ + 1×2³ + 0×2² + 0×2¹ + 1×2⁰ = 41。

二進位制形式給定的數字中第一個非零數字稱為MSB（最高有效位），最後一個數字稱為LSB（最低有效位）。

14.1.2 描述以模擬和數字形式儲存資訊的不同方法

• 黑膠唱片

• 盒式磁帶

• 軟盤

• 硬碟

• CD（光碟）

• DVD（數字通用光碟）

14.1.3 解釋如何利用光的干涉來恢復儲存在CD上的資訊

CD的內部結構由凹坑和凸面組成。雷射用於讀取這些凹坑和凸起（CD的環形）。當雷射照射到凹坑上時，光線會反射回來，返回0訊號（相長干涉）。但是，當雷射照射到凸起的邊緣時，會發生相消干涉（1訊號），入射光和反射光具有波長/2的相位差。因此，凹坑深度/凸起高度可以近似為波長/4。

14.1.4 根據雷射波長計算合適的凹坑深度

凹坑深度 = 1/4*波長

14.1.6 討論以數字形式而不是模擬形式儲存資訊的好處和壞處

優點

• 資料儲存容量巨大
• 訪問特定儲存資料的速度很快
• 資料檢索速度很快
• 儲存更可靠
• 資料可以由計算機處理和操作
• 儲存的資料可以輕鬆複製或擦除

缺點

數字儲存出現嚴重錯誤通常是災難性的（資料可能無法恢復），而模擬資料則會緩慢降級。

14.1.7 討論資料儲存能力不斷提高對社會的影響

可能需要考慮的因素包括

• 盜版：資料可以複製，而不會導致資訊質量下降，導致非法音樂和電影光碟市場龐大。
• 隱私：政府和公司可以儲存大量關於公民的資訊，並且可以輕鬆訪問這些資訊。例如，警察記錄、手機記錄等。
• 由於資料儲存容量不斷增加，社會上可獲得的資訊也越來越多。這導致許多領域（包括銀行和臨床醫學）的效率大大提高，並且還促進了國內和全球範圍內的溝通。
• 浪費：數字儲存裝置定期被丟棄，尤其是在技術不斷升級的情況下。許多裝置即使包含可重複用於新光碟的材料（如CD中的聚碳酸酯）也會被丟棄。

14.2 資料採集；使用電荷耦合器件（CCD）的數字成像

14.2.1 定義電容

電容（C）是儲存電荷的能力。其單位為F（法拉）。Q=CV，其中Q是流過電容器的電荷，V是電壓。

14.2.2 描述電荷耦合器件（CCD）的結構

CCD是一種被劃分為單獨區域的矽晶片。每個區域稱為畫素。每個畫素都可以被認為像一個電容器一樣工作。

14.2.3 解釋入射光如何在畫素內產生電荷累積

如前所述，畫素表現得像電容器一樣，實際上，它是設計用於在電位差上儲存電荷的。當光線照射到畫素上時（當然假設光線具有最小頻率），就會發射電子——光電效應——併產生電位差。每個畫素儲存一定量的電荷，並在畫素陣列中“傳遞”電荷。入射光的強度會影響每個畫素所能容納的電荷量。

14.2.4 概述CCD上的影像如何數字化

由電子對遷移到相關電極引起的電勢變化被轉換為數字訊號。

14.2.5 定義畫素的量子效率

量子效率定義為發射的光電子數與入射到畫素的光子數之比；並非每個入射光子都會導致光電子的發射。通常量子效率在70%到80%之間。

14.2.6 定義放大倍數

CCD的放大倍數是指CCD上影像長度與物體長度之比。

14.2.7 解析度

如果物體的兩個點的影像在CCD上相距超過兩個畫素，則這兩個點在CCD上被分辨出來。

14.2.8 討論量子效率、放大倍數和解析度對處理後圖像質量的影響

量子效率；QE越高，器件的靈敏度越高。放大倍數；更大的放大倍數意味著給定影像區域使用更多畫素。影像將更加詳細。解析度；解析度越高，記錄的細節越多。解析度的提高意味著給定影像將佔用更多記憶體

14.2.9 描述CCD的一系列實際應用，並列出與使用膠片相比的一些優勢

用於... - 成像裝置，如影印機、傳真機、郵件分揀機和條形碼閱讀器 - 閉路電視攝像機和攝像機 - 天文學（檢測微弱/遙遠的天體） - 檢測低水平輻射 - 測試藥物與其靶標結合的有效性 - X射線成像

此外，CCD的QE為25%-95%，而膠片的QE僅為5-20%。

CCD比膠片噪聲更低，因此產生的暗電流更少。

14.2.10 概述如何檢索儲存在CCD中的影像

- 來自物體的光聚焦到收集區域上 - 入射到收集區域的光的強度和波長各不相同 - 從每個畫素彈出的電子數量因畫素而異 - 與每個畫素相關的電勢變化因畫素而異 - 收集區域的電勢變化是物體在收集區域上的影像的“地圖” - 與給定畫素相關的每個電勢差變化轉換為數字訊號