期末考核题目-物理学前沿期末考试试题

陕西师范大学2014～2015学年第一学期期末考试

物理学院2012级教育硕士

物理学前沿试题

答卷注意事项：

1、学生必须用蓝色（或黑色）钢笔、圆珠笔或签字笔直接在答题纸上答题。

2、答卷前请将密封线内的项目填写清楚。 3、字迹要清楚、工整，不宜过大，以防试卷不够使用。 4、本卷共4大题，总分为100分。

一、 理论物理部分

( 共5题，每题5分，共25分) 1. 混沌现象的主要特征是什么？

答：沌现象是指发生在确定性系统中的貌似随机的不规则运动，它的特征包括：（一）内在随机性；（二）分形性质；（三）标度不变性；（四）敏感依赖性。

2. 分形结构的特点是什么？请举例说明。

答：分形理论显示系统中每一元素都反映和含有整个系统的性质和信息，从而可以通过认识部分来影响整体。分形，是以非整数维形式充填空间的形态特征。分形可以说是来自于一种思维上的理论存在。基本简介分形是以非整数维形式充填空间的形态特征。分形可以说是来自于一种思维上的理论存在。

例如：我们可以看到西兰花一小簇是整个花簇的一个分支而在不同尺度下它们具有自相似的外形。换句话说较小的分支通过放大适当的比例后可以得到一个与整体几乎完全一致的花簇。因此我们可以说西兰花簇是一个分形的实例。

3. 分析小世界网络、无标度网络和随机网络三者之间的相同点和不同点。

答：小世界网络是一种数学之图的类型，在这种图中大部分的结点不与彼此邻接，但大部分结点可以从任一其他点经少数几步就可到达。若将一个小世界网络中的点代表一个

人，而连结线代表人与人认识，则这小世界网络可以反映陌生人由彼此共同认识的人而连结的小世界现象。

无标度网络具有严重的异质性，其各节点之间的连接状况（度数）具有严重的不均匀分布性：网络中少数称之为Hub点的节点拥有极其多的连接，而大多数节点只有很少量的连接。少数Hub点对无标度网络的运行起着主导的作用。从广义上说，无标度网络的无标度性是描述大量复杂系统整体上严重不均匀分布的一种内在性质。

随机网络是无尺度网络的概念是随着对复杂网络的研究而出现的。“网络”其实就是数学中图论研究的图，由一群顶点以及它们之间所连的边构成。在网络理论中则换一套说法，用“节点”代替“顶点”，用“连结”代替“边”。复杂网络的概念，是用来描述由大量节点以及这些节点之间错综复杂的联系所构成的网络。这样的网络会出现在简单网络中没有的特殊拓扑特性。

4. 从自组织临界态的角度来看，地震的物理原理是什么？

答：自组织临界态是指由大量相互作用成分组成的系统会自然地向自组织临界态发展；当系统达到自组织临界态时，即使小的干扰事件也可引起系统发生一系列灾变。而地震可能是自然界中自组织临态最干净而最直接的例子了，大多数时间里，地壳是静止的，处于郁滞时期，这种显而易见的平静有时候被很强烈的间歇爆发活动所打断，于是产生少数非常大的地震，但更多的是小地震。地震量级的分布是一个幂率分布，不过后来提出的古登堡—里特定律能更好的解释这个问题。地壳的运动导致了能量的积累，而由于能量的积累最终会导致板块的断裂，从而释放出能量，并且这个能量可能会引起一个级联反应，形成大的地震。

5. 讨论存在外磁场时的铁磁相变过程，Gibbs

自由能为

11

G(T,M) G0(T) a0(T TC)M2 bM4 HM。

24

答：在外在磁场中，序参数选择为

M

时，Gibbs

自由能为

11

G(T,M) G0(T) a0(T TC)M2 bM4 HM

24

因为铁磁属于二级相变，一阶偏导数连续，得自发磁化强度随温度变化 Ms -2

a0m T Tm

bm

G

a0mT-TcmM bmM3 M

磁场：H 磁导率：

1

0m

H

a0mT Tcm 3bmM2 M

Tcm 为居里温度。

说明：二级铁磁相变Gibbs自由能磁矩随温度变化静态磁滞回线磁导率随温度变化。

二、 光学部分 ( 共5题，每题5分，共25分)

6. 请阐述全息学的基本原理以及 x射线全息学具有哪些诱人的前景？

答：全息学以波动光学为基础，利用光的干涉和衍射原理，将物体发出的特定的波以干涉条纹的形式记录下来，并在一定的条件下使其重现。全息学分为两步，波前记录和波前重现，波前记录是将物体光波与另一相干光波——参考光波干涉，用照相的方法将干涉条纹记录下来，获得全息图或者全息照片；波前重现是利用原纪录的参考光波或其他合适的光波照射全息图，光通过全息图发生衍射，甚至衍射光波会形成原物体逼真的立体像。与普通照相技术相比它有如下几点基本特征，1）可以形成三维图像；2）全息照相可以进行多重记录，信息容量大；

3）光学系统简单——原理上无需透镜成像，是一种无透镜成像方法；4）全息照片的重现可放大或者缩小。全息图有多种类型，从记录时物体与全息图的相对位置来分类，可分为菲涅耳全息图和夫琅禾费全息图 1971年诺贝尔物理学奖授予了伽博，以表彰他发明和发展了全息学——x射线全息学，尽管x射线无法利用透镜成像，但是原子的间距与x射线的波长同数量级，周期性排列的原子对入射的x射线散射的相互干涉，会产生衍射点阵；用相干光对这种衍射图样作第二次衍射，便可恢复晶格的像，这就是伽博x射线全息学两步成像法的由来。未来世界，x射线全息学将在医学成像、生物、科研、统计计量、信息科技、文字图像、装饰、防伪、海洋科学、军事领域等有不可或缺的地位。现在全息学技术已经逐步走向市场，如高聚物全息防伪标志、透明激光全息防伪膜等，其发展前景无限美好

7. 表面等离极化激元分哪两类，各有什么特点？

答：表面等离极化激元在传播方向上具有比光波大的传播波矢（更短的波长）；与光的传播方向垂直的方向上是消逝场（限制光场）。在分类上包括金属纳米线波导和金属—介质—金属波导。

金属纳米微粒链状结构所支持的SPP特性与计算得出的金属纳米圆柱体波导中的情况非常相似，对SPP场具有亚波长尺寸的强束缚性，传播距离仅仅为数百纳米。SPP利用金属缝隙结构来实现波导，即（金属—介质—金属），利用两个界面的耦合，形成被限制在介质核心层中的缝隙SPP模式。在缝隙宽度为50nm，激发光波长1550nm时，其典型传播距离约为10微米。

8. 简要概述电磁诱导透明技术。

答：电磁诱导透明技术是指通过外加控制场与吸收介质相互作用，使得介质对探测场的吸收发生改变，透射率增加甚至完全透明，即某种介质强烈地吸收某一频率的探测场，而当再加一束能被介质吸收的控制场时，介质对探测场就不再吸收了。这种现象就是电磁诱导透明技术。起源于跃迁通道之间的干涉作用，当探测光与控制光满足双光子共振时，由于两条通道的跃迁几率反号而产生干涉相消。电磁诱导透明技术在光速减慢，信息存储以及高效非线性相互作用过程等方面存在重要应用。

9. 利用高次谐波辐射实现分子轨道成像的条件是什么？

答：利用高次谐波辐射实现分子轨道成像的条件：一是存在一个和待成像分子的电离能相近的参考原子；二是这个参考原子的再碰撞电子波包的谐振幅总是相似的，不依赖于这个分子的取向。

10. 目前负折射率材料的制备方法有哪几种，各有什么优缺点？

答：在一定频率范围内介电常数和磁导率都是负数的材料，称之为负折射材料（NIM），也叫做双负材料（DNM），左手材料。其制备方法包括：1、开口谐振环—金属线阵列法；2、传输线模拟方法；3、光子晶体结构法；4、负折射手征介质法。包括用手征介质和共振电偶极子离子的混合物来获得负折射，或是金属螺旋法其优点是没有激发磁共振也可实现负折射，在实现光频段负折射上有很大的前景，缺点是折射率的绝对值小。5、量子相干法，其优点是不需要复杂的周期性结构，对加工工艺要求不高，而且可以实现均匀地负折射材料，也是一种可以利用外加场调控的

负折射材料，还可以在光频范围内实现负折射。缺点是由于要满足电偶极跃迁和磁偶极跃迁，对于原子能级的要求比较严格。处理以上5种方法外，还可以通过金属颗粒复合材料，金属纳米线，压电压磁多层膜，铁电耦合双相各向异性等方法来实

三、 凝聚态部分 ( 共5题，每题5分，共25分)

11. 极化分哪几类？各类极化机制？

答：极化是指在电场作用下，虽然正负电荷因为电场发生运动，但是并不能离

开介质而形成电流，只能产生微观尺度的相对位移，即偶极矩，这就是极化。其分类包括1、电子位移极化；2、离子位移极化；3、自发极化；4、偶极矩转向极化；5、热离子极化；6、夹层式极化。

电子位移极化，是指在外电场作用下，电子云相对原子核的位移是弹性联系，其振动频率在光频范围，所以电子极化又称为光极化，极化建立和消除时间极短。约10-15~10-16s。 离子位移极化是指离子晶体中正、负离子发生相对位移而形成的极化。 自发极化是指在没有外电场的作用时，晶体内部某些区域的正负电荷中心不重合而呈现出的电磁极矩。

偶极子转向极矩指的是当极性分子受外电场作用时，偶极子就会产生转矩，由于偶极子与电场方向相同时具有最小位能。于是，就电介质整体来看，偶极矩就不再等于零。从而出现的沿电场方向的宏观偶极矩。

热离子极化是指在高温等离子体中的正负电荷发生相对位移而形成的极化。 夹层式极化是多层电解质组成的复合绝缘中产生的一种特殊的空间电荷极化。

12. 半导体的能带结构与金属导体、绝缘体的能带结构有何区别？

答：绝缘体和半导体，它的电子大多数都处于价带，不能自由移动。但在热、光等外界因素的作用下，可以使少量价带中的电子越过禁带，跃迁到导带上去成为载流子。由于能带的亚结构之间的能量相差很小，因此这时只需很少的能量（如一外加电场），就能把电子激发到空的能级上，形成定向移动的电流。这正是具有这种能带结构的物质被称为金属导体的原因。 如果某一能带刚好被填满，它与上面的空带间隔着一个禁带。此时大于带隙间隔的能量才能把电子激发到空带上去。一般带隙较大（大于10eV数量级）的物质，被称为绝缘体。 而带隙较小（小于1eV数量级）的物质，被称为半导体。半导体的费米能级位于满带与空带之间的禁带内，此时紧邻着禁带的满带称为价带，而上面的空带称为导带。如果由于某种原因将价带顶部

的一些电子激发到导带底部，在价带顶部就相应地留下一些空穴，从而使导带和价带都变得可以导电。所以半导体的载流子有电子和空穴两种。绝缘体的禁带宽度较大，价带顶的电子难以跃迁到导带底成为自由电子，故电导率较低；导体的禁带宽度较小，价带顶的电子容易跃迁到导带底成为自由电子，同时在价带顶形成空穴，故电导率较高；半导体禁带宽度介于二者之间，故电导率也介于二者之间

13. 选取催化剂材料为什么受材料禁带宽度的制约？

答：因为催化剂材料能带构型决定着它的光吸收能力、光激电子空穴对的产生、载流子的迁移以及跃迁态的电子和空穴的氧化还原能力。而要提高催化能力有三种方法一、修饰能带结构，二、降低电子空穴的复合几率，三、表面的修饰，提高制备材料的技术手段，增加比表面。而材料能带结构决定着它的光吸收能力，光激电子空 穴的产生、载流子的迁移以及跃迁态的电子和空穴的氧化还原能力。固体能带理论中点明物质的核外电子有不同的能量。根据核外电子能级的不同，把它们的能级划分为三种能带：导带、禁带和价带（满带）。在禁带里，是不允许有电子存在的。禁带把导带和价带分开，对于导体，它的大量电子处于导带，能自由移动。在电场作用下，成为载流子。因此，导体载流子的浓度很大。对绝缘体和半导体，它的电子大多数都处于价带，不能自由移动。但在热、光等外界因素的作用下，可以使少量价带中的电子越过禁带，跃迁到导带上去成为载流子。

14. 超导体应用时必须满足那些条件？这些条件之间的关系是什么？

答：超导体应用时必须是符合现实应用的高温超导材料，超导材料在超导状态下具有零电阻和完全的抗磁性，因此只需消耗极少的电能，就可以获得10万高斯以上的稳态强磁场。而用常规导体做磁体，要产生这么大的磁场，需要消耗3.5兆瓦的电能及大量的冷却水，投资巨大。所以超导体的应用范围非常广阔，大致可分为三类：大电流应用（强电应用）、电子学应用（弱电应用）和抗磁性应用。大电流应用即前述的超导发电、超导输电和超导储能；电子学应用包括超导计算机、超导天线、超导滤波器件、微波器件等；抗磁性主要应用于磁悬浮列车和热核聚变反应堆等。

15. 非常规超导的共性主要有哪些？

答：非常规超导主要包括重费米子超导，有机超导，铜氧化物超导和铁基超导等。他们的共性主要有：1、同样遵从Homes定律；2、具有同样的层状机构—2D特征；3、结构成分都有过滤或者稀土元素存在；4、非常规超导的磁共振模类似。磁共振是超导的副产品，费米子和玻色子的相互作用可以产生新的玻色子。5、量子临界点类似。6、具有相同的强关联Hubbard模型。

四、 声学部分 ( 共5题，每题5分，共25分)

16. 试举三例说明超声波都有哪些应用？这些应用基于超声波的什么特点？

答：应用：（1）在工业上的应用用大功率的超声波作用在物体上改变物体的形状和性质例如：空化现象

（2）利用超声来加速化学反应增加反应产率和引发新的化学反应 （3）声化学技术用于生产上，例如超声清洗机，超声提取中药成分

17. 简述超声清洗的工作机理与特点。

答：（1）工作原理：超声波发生器发出的高频振荡信号，通过换能器转换成高频机械振荡而传播到介质－－清洗溶剂中，超声波在清洗液中疏密相间的向前辐射，使液体流动而产生数以万计的直径为50-500μm 的微小气泡，存在于液体中的微小气泡在声场的作用下振动。这些气泡在超声波纵向传播的负压区形成、生长，而在正压区，当声压达到一定值时，气泡迅速增大，然后突然闭合。并在气泡闭合时产生冲击波，在其周围产生上千个大气压，破坏不溶性污物而使他们分散于清洗液中，当团体粒子被油污裹着而黏附在清洗件表面时，油被乳化，固体粒子及脱离，从而达到清洗件净化的目的。在这种被称之为“空化”效应的过程中，气泡闭合可形成几百度的高温和超过1000个气压的瞬间高压，从而达到物件表面清洗净化的目的。

（2）超声波清洗方式超过一般以的常规清洗方法，特别是工件的表面比较复杂，象一些表面凹凸不平，有盲孔的机械零部件，一些特别小而对清洁度有较高要求的产品如：钟表和精密机械的零件，电子元器件，电路板组件等，使用超声波清洗都能达到很理想的效果， “空化”效应的过程中，气泡闭合可形成超过1000大气压的瞬间高压，连续不断地产生瞬间高压就象一连串小“爆炸”不断地冲击物件表面，使物件的表面及缝隙中的污垢迅速剥落。

18. 声空化是如何产生的，有什么特点？

答：（1）声空化是声波（超声波发射器产生）在液体中传播，在时空上产生压力起伏，出现低于静态压力的负压现象。在液体的负压区域，液体中的结构缺陷（空化核[1] ）会逐渐成长，形成肉眼可见的微米量级的气泡。

（2）空化泡基本上是球形的，它的运动具有明显的非线性特征，具体表现为缓慢的膨胀或急速的压缩，具有很高的聚能能力，当压缩到最小半径后，其内部就有数千度的高压和数千个大气压的高压。

19. 请简述水下为什么用声呐系统来探测目标？为什么不用光、电磁等探测方

法？

答：（1）声波是一种弹性波在水中能量很大且非常密集，在介质中传播时能产生巨大的作用力而且耗能小、方向性较好在碰到杂质或介质分界面时也有显著的反射．

（2）光波在水中由于散射性较大传播距离较短，而电磁波在水中衰减的速率非常的高，波长越短，损失越大，即使用大功率的低频电磁波，也只能传播几十米，无法做为侦测的讯号来源。

20. 请简述多自由度圆柱形超声电机的工作原理？

答：超声电机是一种全新概念的新型电机,它利用压电材料的逆压电效应,使定子表面产生一定轨迹的微米量级的振动,进而通过摩擦耦合将振动动能转换成转子或滑块的宏观运动(转动或平动)动能.作为超声电机的一个重要分支,多自由度超声电机是通过将两种以上的超声振动模式按照一定的方式组合,通过在定子的表面产生3个正交的椭圆运动来实现转子的多自由度运动.该电机具有小型多自由度、无噪声干扰、自保持力矩、操作简单等优点,是一种理想的可用于实现复杂、巧妙动作的自动化机械系统的有效驱动源。

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