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    学习这一部分内容主要尝试解决的问题是,找到物质表现出一些化学性质的原因,也找到物质表现出一些物理性质的原因。

    当然,这一部分还对物理中的原子物理、量子学、电学、光学也有重要的支持作用。如物质的得失电子的数量、能力热效应与电学中的电压、电流等有关系,电子的能级跃迁与物理中的光、波及其频率等有关系,原子结构的细分与量子、原子物理有关系。

    生物学的高级基础研究,也需要用到这些知识。

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    1、原子结构、元素周期表、元素周期律、化学键的关系。

    对物质进行结构分析是解决找到物质参与各种化学反应的原因的方法。物质结构分析的起点,是原子结构的分析。

    原子的最外层电子的周期性变化,原子对应的单质及化合物的物理性质和化学性质的周期性变化,促使科学家制作了元素周期表。

    元素周期表中这种周期性的规律,又使科学家发现了更多的元素和物质。

    同时,化学反应不是以原子为基础,而是以单质、化合物形成的物质为基础,从原子到单质或化合物这些物质,中间的联系桥梁是化学键。不仅是化学键,物质的聚集状态对化学性质的表现也有影响。

    比如,固体碘单质的化学性质的表现,不仅受碘原子的最外层电子数的影响,还受碘分子I2中两个碘原子之间的共价键的影响,还受固体碘单质中碘分子I2之间的分子间作用力的影响。结果是固体碘的反应活性,比碘原子的要低很多。

    2、原子结构需要学会的内容。

    (1)原子结构:

    知道原子由原子核(包括质子和中子)和电子(又叫核外电子)构成。

    知道质子数决定的是原子属于哪种元素,质子数和中子数一起决定的是某元素的一种原子(核素),核外电子决定了原子的化学性质。

    知道原子序数=核内质子数=核电荷数=原子核外电子数,知道质量数=质子数+中子数。

    (2)核素:知道一种元素可以有多种原子(核素)。

    同种元素的每种原子也叫**核素,同种元素的不同原子(核素)之间互称同位素。如氧元素有三种原子,分别是16O核素(又叫氧-16核素)、17O核素、18O核素。

    同种元素的不同核素对应的单质及化合物的化学性质基本相同。在化学反应时,只要没做特别说明,不区分核素。

    在书写表达时,核素容易制造辨别难度。如H2D2T2HDDTHT都是指氢气。H2OT2OHDODTO等都是指水分子。

    (3)核外电子排布规律:

    要学会规律,明白规律的原因,学会如何书写原子结构示意图。

    核外电子的排布规律:电子先从内层开始填充,每层最多不超过2n2个,最外层不超过8个(次外层不超过18个,倒第三层不超过32个)。

    规律原因:电子的填充规律能使原子处于最稳定状态,又叫最低能量状态。内层比外层的能量低。(选修三的第一章中的构造原理和能量最低原理中讲得更为详细,也略有不同)

    每层不超过2n2个、最外层不超过8个等的原因,用选修三的第一章中的构造原理、泡利原理、洪特规则能解释。

    会利用规律推理和书写原子结构示意图。如53号碘元素的原子结构示意图

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    书写方法是:一边按2n2个电子从内到外填入各电子层,一边计算剩余电子数,填完后,再用最外层不超过8个(次外层不超过18个,倒第三层不超过32个)进行检查修改即可。

    3、元素周期表需要学会的内容。

    (1)知道元素周期表的结构,七个横行指七个周期,十八个纵列包括七个主族(A)、七个副族(B)、一个VIII族(有三列)和一个O族。每一横行有多少个元素,与某电子层的最大电子数有关。

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    (2)理解元素的原子结构与周期表的关系

    会利用主族元素的原子结构示意图推理元素在周期表中的位置。(在选修三中副族也能判断)

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    例如根据碘的原子结构示意图,碘元素应该在第五周期(五层),VIIA族(第七主族)(最外层有7个电子),也就是在元素周期表中第五行,第十七列的位置。

    (3)熟记前二十号元素的汉字、化学符号、原子序数。

    会用原子序数推理它们的原子结构示意图、在周期表中的位置,并能达到熟记程度。最好会画元素周期表和快速填入前20个元素中的任意一个。(学完选修三后要求前35个元素)

    (4)知道周期或族中各元素在原子结构上的相同点和不同点

    同一周期的元素,原子的电子层数相同,最外层电子数不同。

    同一族的元素,原子的电子层数不同,最外层电子数相同。(副族元素的次外层电子数也相同,镧系元素和锕系元素的倒数第三层上的电子数也相同,但都有个别例外)

    4、元素周期律需要学会的内容。(族的规律也放在这儿)

    元素周期律指元素的性质随着元素的原子序数的递增呈周期性变化的规律。需要注意的是元素的性质包括原子的性质、单质的性质及其对应的化合物的性质。

    (1)学会周期律和族规律:

    周期律(同一周期内,从左到右,以第三周期为例)

    最外层电子数依次增多。

    原子半径依次减小。如r(Na)>r(Mg)>r(Al)>r(Si)>r(P) >r(S) >r(Cl)

    核对核外电子的吸引能力逐渐增强。

    失电子能力逐渐减弱,得电子能力逐渐增强。(指原子)

    金属性逐渐减弱,非金属性逐渐增强。(含义很广)

    金属对应的碱的碱性逐渐减弱NaOH>Mg(OH)2>Al(OH)3,非金属对应的最高价含氧酸的酸性逐渐增强H2SiO33PO42SO44

    金属与水或酸的反应能力逐渐减弱,非金属与H2的反应能力逐渐增强。

    非金属氢化物的稳定性逐渐增强SiH432S

    族规律(碱金属族和卤素元素,从上到下)

    除了原子半径是依次增大外,其它的规律与周期律的规律原因相同。

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    (3)学会规律产生的原因(按最外层变为8个电子时稳定,不考虑形成共用电子对)

    原子变为化合物时,使最外层电子数趋向为变为8个。

    一个原子少于4个电子时,以失电子为主。多于4个电子时,以得电子为主。

    有两种根本原因。

    一种是最外层电子越少时越容易失去电子,越多时越容易得到电子。

    另一种是电子层数越多,原子半径越大时,越容易失去电子。电子层数越少,原子半径越小时,越容易得到电子。这两种原因导致了金属性和非金属性的变化,也导致了原子、单质、化合物的性质的变化。

    周期律的产生是由于第一种原因。族的规律的产生是由于第二种原因。

    注意原因的解释和如何回答此类问题。

    I、对于周期来说:

    核电荷数的增加,导致了原子核对核外电子的作用力的增强。

    原子核对核外电子的作用力的增强,导致了原子半径的减少。

    最外层电子数的增加和核对电子作用力的增强,导致了失电子更困难和得电子的更容易。

    失电子的更困难导致了金属性的减弱,得电子的更容易导致了非金属性的增强。

    金属性的减弱导致了金属与水或酸反应的能力减弱和氢氧化物碱性的减弱。非金属性的增强导致了非金属与H2反应的能力增强和最高价含氧酸的酸性的增强。

    对于碱金属和卤素元素对应的族来说:

    除了起始原因是由于原子的电子层数的增多所导致之外,其它的推理过程相同。

    II、回答以上规律的原因时,采用就近原则,也就是用离问题最近的原因来回答。

    例如,为什么碱的碱性越来越强?因为对应的金属的金属性越来越强。

    为什么金属性越来越强?因为原子的失电子能力越来越强。

    为什么原子的失电子能力越来越强?因为原子半径越来越大(或最外层电子数越来越少)。

    (4)一些特殊的问题

    离子的半径比较:核外电子排布完全相同时,核内质子数越多,半径越小。因为核电荷数越多,核对电子的作用力越强,离子半径就越小。如离子半径:O2->F->Na+>Mg2+>Al3+

    OF没有最高价含氧酸,也没有最高正价。

    比较金属性、非金属性的其它方法

    金属性:还可以用金属活动性顺序、置换反应、原电池电极的活泼性(有例外,如MgAl|NaOH溶液电池),金属离子的氧化性(Fe3+除外)等。

    非金属性:非金属关于氧化性的置换反应、非金属离子的还原性。

    比较金属性、非金属性时常见的几种错误:

    根据Cu+2FeCl3=CuCl2+2FeCl2,得到Cu的金属性大于Fe。错在不是利用置换反应进行比较。

    根据2C+SiO2=高温=Si+2CO,得到C的非金属性大于Si。错在不是利用非金属的氧化性进行比较,而且此反应利用的高温下的挥发性。

    根据2HCl+CaCO3=CaCl2+H2O+CO2,得到Cl的非金属性大于C。错在不是利用最高价含氧酸进行比较。

    5、周期表和周期律的综合应用

    (1)主族元素最高正价和最低负价的判断:

    最高正价=最外层电子数,最低负价=最外层电子数-8。

    金属只有正价态,非金属既有正价,又有负价。

    (2)用元素周期表和元素周期律,可以预测新元素,可以推测元素的原子结构,可以推测元素对应的单质及化合物的性质。也可以利用性质来寻找一些元素对应的单质及化合物。

    如砷34As,位于第四周期VA族。最高正价是+5,最低负价是-3。单质的氧化性比磷差,氧气会氧化砷化物。氢化物为AsH3,稳定性比NH3差,水溶液可能有碱性。最高价含氧酸为H3AsO4,是弱酸,与强碱能反应,稳定性很差,对应的盐Na3AsO4与强酸能发生反应。As单质介于金属和非金属之间,可能有半导体的性质。

    6、化学键需要学会的内容。

    (1)化学键及分类

    化学键指原子、离子、原子团、分子之间在构成单质或化合物等物质时,形成的强烈的相互作用力,包括离子键、共价键、金属键等。

    离子键是指离子之间通过静电作用形成的化学键。如NaClNa+Cl-之间。

    离子键存在于离子化合物中。常见的离子化合物主要包括由金属阳离子或NH4+对应的化合物(AlCl3除外)。

    共价键是原子之间通过共用电子对形成的化学键。如Cl2中的两个氯原子之间,HCl中的氢原子和氯原子之间。

    共价键存在于非金属单质、共价化合物或离子化合物的原子团中。常见的共价化合物主要包括除NH4+之外的非金属化合物(包括AlCl3)。

    共价键根据键的极性分为极性键和非极性键。

    极性是指由于共价键两端的原子对共用电子对的拥有能力不同,导致共用电子偏向于一侧,偏离的原子带少量正电荷,偏向的原子带少量负电荷的现象。

    若由同种原子形成的共价键是非极性键。如H2Cl2。由不同种原子形成的共价键是极性键。如HCl

    (2)离子键、共价键的形成原因

    当原子最外层不是8个电子时(前四个元素不是只有L层上的2个电子时),原子在自然界中不能稳定存在。

    要想稳定存在,要么得失电子变为离子形成离子化合物,要么与别的原子共用电子形成共价化合物或单质。

    当一个原子易失去电子变为阳离子,而另一个原子易得到电子时变为阴离子时,形成离子键。如NaCl,变为Na+Cl-,形成离子化合物NaCl

    当两个原子都不易失去电子时,就采用形成共用电子对的方式形成共价键。如ClCl,形成Cl2。又如HCl,形成HCl

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    教材中用上面的电子式来书写离子键或共价键的形成过程,目的是为了让学生对键的形成过程和原因产生思考和体验。

    在用电子式书写形成过程时,一边要想象每个原子的核外电子分布,一边思考、推理和计算得失电子数或形成共用电子对数,一边书写,这才会有效果。

    (3)分子间作用力和氢键

    由分子构成的物质,如果分子之间距离较近,分子之间会产生一种较弱的作用力,这种作用力叫分子间作用力,又称范德华力。相对分子质量越大,分子之间的距离越小,分子间作用力越大。一般来说,分子间作用力比化学键的强度要小。

    有些带有H的分子与带有NOF的分子之间会产生一种特殊的分子间作用力,这种作用力叫氢键。分子间氢键的产生会使熔沸点变高。

    【练习】

    1、原子的结构中质子决定     ,质子和中子一起决定    ,电子决定       18O2-的质子数   ,中子数   ,电子数  

    2、写出S2-K+Mg2+的半径从大到小的排列顺序:     

    3SCl2若能发生反应,会形成      KCl2发生反应,会形成      。(离子键或共价键)

    4、用电子式写出Na2S的形成过程     

    5、画出52号元素X的原子结构示意图              。这种元素在元素周期表中的位置是                 。它的氢化物的化学式为          ,它的氢化物的稳定性比H2O       

    它的最高价氧化物对应的水化物为            ,此水化物的酸性比H2SO4        

    【练习答案】

    1、元素,核素(原子),化学性质。81010

    2S2->K+>Mg2+

    3、共价键。离子键。

    4

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    5

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    第五周期VIA族。H2X,差。H2XO4,差。

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    1.自发辐射:处于高能级的原子在没有任何外场的情况下自发的跃迁到低能级,发出一个能量为hv的光子,这种光发射叫做自发辐射。(整个过程是个随机过程在频率相同,偏振方向及传播方向上有一定的任意性,光子能量大体上等于材料带隙,相位,方向各不相同)
    2.受激辐射:处于高能级的原子在特定的能量外在电子的激励下从高能级跃迁到低能级,同时释放一个与外来光子处于同一光子态的光子。(一个入射光子,两个出射光子,辐射光子和入射光子同频率,同方向,同偏振状态—处于相同的光子态或相同光波模)
    3.受激吸收:处于低能级的原子在外来光子的激励下,吸收一个光子并跃迁到高能级上的过程叫收激吸收。
    4.产生光源的机制分为:1.热光源(白炽灯(黑体辐射))。2.非热光源(气体放电、金属蒸汽、同步辐射、固态发光)
    5.激光:受激辐射光放大(受激辐射>受激吸收)
    6.粒子数反转(居集数反转):通常情况下,处于低能级E1的原子数大于处于高能级E2上的原子数,这时得不到激光的,为了得到激光,就必须使高能级E2的原子数大于低能级E1上的原子数目,因为E2上原子多,发生受激辐射,使光增强,为了达到这个目的,必须设法把基态的原子大量激发到亚稳态E2上,处于高能级E2的原子>低能级E1的原子数,这样就在E2和E1之间实现了粒子数反转。
    7.热平衡状态下:服从波尔兹曼分布:n2-g2/g1n1<0,即高能级E2>低能级E1。
    激光粒子数反转分布:n2-g2/g1
    n1>0,即介质对入射光增强,从而实现光放大。
    条件:1.激光物质亚稳态时间足够长。2.泵浦功率够大,效率够高。
    8.泵浦是一种使用光将电子从原子中较低能级升高到较高能级的过程,目的是给物体提供能量。
    常见的有:电激励激光器、光泵浦激光器、核能泵浦激光器、热能泵浦激光器、化学激光器。
    9.增益系数:沿光传播方向上单位长度光强的相对增加值。(与n,粒子反转数,能级寿命有关)
    增益饱和:当入射光的光强增大到一定程度后,增益系数随光强增大而减小,这种现象称为增益饱和。
    10.谐振腔作用:1.正反馈2.选模
    11.横模:振荡模在垂直于腔轴的横截面内的电磁场空间分布模式。(m,n)
    12.纵模;:振荡模沿腔轴方向的电磁场空间分布模式。(q)

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    【判断题】非光谱法是基于辐射与物质相互作用时,测量辐射的某些性质,如折射、散射、干涉、衍射和偏振等变化的分析方法。

    【单选题】液相色谱中,以下对流动相描述正确的是:

    【判断题】光谱法 是基于辐射能与物质相互作用时,测量由物质内部发生量子化能级之间跃迁而产生发射、吸收的波长和强度而进行分析的方法 。

    【判断题】分子中能吸收紫外光或可见光的结构系统叫做发色团或色基。C=C、C=O、C≡C等都是发色团。发色团的结构不同,电子跃迁类型也不同。

    【判断题】原子发射光谱法是利用各种化学元素的原子在外部能量的激发下,利用激发态至基态的电子跃迁所产生的特征谱线来定性和定量分析元素的一种分析方法。

    【单选题】具有 n- π * 跃迁的化合物是:

    【单选题】紫外-可见吸收光谱主要是由于:

    【判断题】电子由激发态跃迁至基态所发射的辐射线叫做共振发射线,拥有最小激发电位的共振发射线,是该元素的最强谱线。

    【单选题】某水样需要检测F - 、Cl - 、NO - 3 等阴离子,可采用的液相色谱方法是:

    【判断题】紫外-可见吸收光谱中,石英材质的吸收池只能用于紫外光区。

    【单选题】原子吸收射光谱的产生是由于 : (5.0分)

    【单选题】液相色谱法分离检测酸性样本时,为保证和改善峰形,流动相应调整为:

    【判断题】原子发射光谱不仅可以根据元素原子发射的谱线来确定元素组成,而且可以检测其形态和结构。

    【单选题】液相色谱实验中,以下那种检测器不适合做梯度洗脱 :

    【单选题】紫外吸收光谱法中,若检测 190-380nm 处的吸收信号,可使用的光源是 :

    【单选题】液相色谱中, 范氏方程的哪一项对柱效能的影响可以忽略不计:

    【单选题】液相色谱中,以下常用的溶剂中极性最大的是:

    【判断题】等离子体是一种电离度大于 0.1% 的电离气体,由电子、离子、原子和分子所组成,其中电子数目和离子数目基本相等, 整体呈现 电 中性 。

    【单选题】双光束分光光度计与单光束分光光度计相比,其突出优点是 :

    【判断题】吸收谱带强度与该物质分子吸收的光子数成反比,定量分析的依据 。

    【单选题】利用 紫外吸收光谱法测定某有机化合物在一定波长处的摩尔吸光系数,则摩尔吸光系数的大小取决于 :

    【判断题】π→π*跃迁所产生的吸收峰随着溶剂极性的增加而向长波长方向移动 。

    【判断题】电感耦合高频等离子 体 以 氩气 为工作气体, 因 此产生的光谱背景干扰较少。

    【单选题】苯乙醇不具有的跃迁形式是:

    【简答题】p328页 8-2 气体燃料(例如天然气)燃烧的时候,如何实现低NOx的排放。本题2分。

    【单选题】液相色谱中体积排阻色谱,先流经检测器的是:

    【判断题】不同元素的原子具有不同的能级构成,能极差不一样,所以频率或波长也不同,各种元素都有其特征的光谱线,从识别各元素的特征光谱线可以鉴定样品中元素的存在,这就是光谱定性分析 。

    【单选题】某样本中含有蔗糖,若直接通过液相色谱法测定,不适合的检测器是:

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  • 激光,英文名称为Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation(简称LASER),意思为原子受激辐射的光,故称激光,激光的产生原理,是原子中的电子吸收能量后从低能级跃迁到高能级,再从高能级回落到...

    激光,英文名称为Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation(简称LASER),意思为原子受激辐射的光,故称激光,激光的产生原理,是原子中的电子吸收能量后从低能级跃迁到高能级,再从高能级回落到低能级的时候,所释放的能量以光子的形式放出,被引诱(激发)出来的光子束(激光)。

    激光与普通光源相比,具有单色性、高亮度、方向性等优势,被广泛应用于工业生产和科研实验等各个领域,激光测距便是其中应用较为广泛的一项技术。

    1.激光测距技术的特点

    激光测距技术是一项非接触式的工业测量技术,与传统的接触式测距技术相比具有以下的特点【1】:

    (1).激光测距时,无需与测量表面进行接触,物体的表面不会产生形变

    (2).激光测距时被测物体表面不会发生磨损,降低了额外的损失

    (3).在很多特殊的环境下,没有条件用常规测量工具接触测量,只能使用激光测距技术

    2.激光测距技术的原理

    激光测距目前主要的测量方法有:激光脉冲测距、激光相位测距、激光三角法测距等,不同的测量方法对应不同常用的测量范围和精度,激光脉冲测距主要应用于远距离测距,测量距离在km级以上,精度较低,一般是米级精度;激光相位测距适用于中长距测量,常用测量范围包括50米、150米、300米、以及500米不等,精度较高,一般是毫米级精度;激光三角法测距则一般用于短距离(常见测量范围在2米以内),高精度的测距任务,一般精度能达到微米级,但测量距离较为限制。

    (1)激光脉冲测距法【2】

    激光脉冲测距法工作时,先由激光发射二极管对准目标发射激光脉冲。经目标反射后激光向各方向散射。部分散射光返回到传感器接收器,被光学系统接收后成像到雪崩光电二极管上。雪崩光电二极管是一种内部具有放大功能的光学传感器,因此它能检测极其微弱的光信号,并将其转化为相应的电信号。通过测量光脉冲往返待测点的时间,乘以光速并除以2,计算出被测目标的距离,计算公式如下:

    D=ct/2

    D:测量点A、B间的距离,c:光速,t:光脉冲往返AB两点间1次所需时间,

    (2)激光相位测距【3】

    激光相位测距的原理,是将一低频调制信号对发射光波的光强进行调制, 利用测定“调制光波”往返于被测距离的相位差, 间接求得待测距离D。 其距离的一般计算公式为:

             其中,Փ:调制光在距离为 2D 上的相位差, c : 调制光的传播速度, t : 调制光在待测距离往返一次所需要的时间,  f : 调制光的频率。

    在图 1 中, A 表示调制光波的发射点, B 表示安置反射器的地点, A′表示所发出的调制光波经反射器反射后的接收地点。AA′两点间的距离即是待测距离D的2倍。 故: Փ =N1 2π+ΔՓ1 , 由于N1并不是一个定值, 所以这可能引起多值解。 为解决这一问题, 我们常采用多个频率的调制信号来测定同一距离。该频率在相位测距中也称为测尺频率,测尺频率的波长称为测尺长度,当被测距离小于测尺长度时, 则不存在多值解,由于测尺长度越大,测量精度就越低,所以出于精度的考虑,我们需要将测尺长度控制在合适的范围内。

    图1 激光相位测距的原理图【3】

    (3)激光三角法测距【1】

    使一束激光以特定角度照射到待测物体的参考位置上,然后激光在待测物体上会发生散射、漫反射,将光敏传感器件放置在另一特定位置接收经透镜汇聚后的散射光、漫反射光。待测物体发生位移后,再使一束激光以特定角度照射到待测物体的待测位置上,将光敏传感器期间放置在同一特定位置接收此时的散射光、漫反射光,因为待测物体位移前后激光散射漫反射后的光路不同,光敏传感器件上光斑中心位置也不同,将前后两次光斑中心位置代入几何三角关系中,从而计算出物体的位移距离。

    3.相位式激光测距传感器的应用:

    相位式激光测距传感器的应用非常广泛,其测量距离从几十米到几百米不等,精度一般在毫米级,与工业中大多数的应用需求相符合,相位式激光测距传感器的用途包括尺寸测量、位置测量、液位测量、形变监测、海啸/泥石流等自然灾害监测、定位等,根据不同的应用领域和工况,其作用也不同:

    (1)金属工业

    例如金属切割应用中,我们常常需要切割指定规格指定长度的金属,通过将激光测距设备安装在切割设备上,对切割长度进行监测,准确进行切割。此外还包括钢铁的锻造和灌装等,由于金属锻造时温度很高,激光测距传感器可以无接触的对金属的锻造工艺过程进行监测和控制,提高了工艺生产的效率。

    (2)桥梁建筑

    通过激光测距传感器对桥梁的上下桥面进行监测,监测桁架倾斜和变形;此外如历史建筑,包括教堂建筑等,对其进行保护不仅符合业主的利益,而且也是对业主的尊重。通过我们的激光测距传感器,我们可以监测这些建筑物的微小“移动”,以并对它们进行细致的监测和保护。

    (3)轨道铁路

    铁路的轨道监测包括铁路基础设施的监测,铁路隧道形变监测,山区铁路岩层的泥石流监测等

    (4)仓储物流

    例如常见激光测距传感器用于料仓的料位,物流卡车的位置监测与定位等

     

    参考文献:

    [1] 宋宇健. 基于CCD激光三角法测距系统的设计与实现[D].西安工业大学,2018.

    [2] 激光传感器工作原理:http://article.cechina.cn/12/0412/03/20120412033047.htm

    [3]王秀芳,王江,杨向东,王磊,吴志海.相位激光测距技术研究概述[J].激光杂志,2006(02):4-5.

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原子跃迁与电子跃迁