物理學前沿期末考試125413周生海

1、 上 裝 訂 線 院（系）名： 物理學院 班級： 12研三 姓名 周生海 學號： 125413 考生類別： 考試日期： 下 裝 訂 線 陜西師范大學20142015學年第一學期期末考試物理學院2012級教育碩士物理學前沿試題題號一二三四總分分數(shù)答卷注意事項： 1、學生必須用藍色（或黑色）鋼筆、圓珠筆或簽字筆直接在答題紙上答題。2、答卷前請將密封線內(nèi)的項目填寫清楚。 3、字跡要清楚、工整，不宜過大，以防試卷不夠使用。 4、本卷共4大題，總分為100分。得分評卷人一、 理論物理部分 ( 共5題，每題5分，共25分)1. 混沌現(xiàn)象的主要特征是什么？ 總結(jié)混沌現(xiàn)象可知有如下幾個基本特征：1、內(nèi)在隨機性

2、：從確定性非線性系統(tǒng)的演化過程看，它們在混沌區(qū)的行為都表現(xiàn)出隨機不確定性。然而這種不確定性不是來源于外部環(huán)境的隨機因素對系統(tǒng)運動的影響，而是系統(tǒng)自發(fā)產(chǎn)生的。2、初值敏感性：對于沒有內(nèi)在隨機性的系統(tǒng)，只要兩個初始值足夠接近從它們出發(fā)的兩條軌線在整個系統(tǒng)溟過程中都將保持足夠接近。但是對具有內(nèi)在隨機性的混沌系統(tǒng)而言，從兩個非常接近的初值出發(fā)的兩個軌線在經(jīng)過長時間演化之后，可能變得相距“足夠”遠，表現(xiàn)出對初值的極端敏感，即所謂“失之毫厘，謬之千里”。下面的蝴蝶效應說明這一點。 3、非規(guī)則的有序：混沌不是純粹的無序，而是不具備周期性和其他明顯對稱特征的有序態(tài)。確定性的非線性系統(tǒng)的控制參量按一定方向不斷變

3、化，當達到某種極限狀態(tài)時，就會出現(xiàn)混沌這種非周期運動體制。但是非周期運動不是無序運動，而是另一種類型的有序運動?；煦鐓^(qū)的系統(tǒng)行為往往體現(xiàn)出無窮嵌套自相似結(jié)構(gòu)，這種不同層次上的結(jié)構(gòu)相似性是標度變換下的不變性，這種不變性體現(xiàn)出混沌運動的規(guī)律。2. 分形結(jié)構(gòu)的特點是什么？請舉例說明。具有自相似性1.從整體上看，分形幾何圖形是處處不規(guī)則的。例如，海岸線和山川形狀，從遠距離觀察，其形狀是極不規(guī)則的。2.在不同尺度上，圖形的規(guī)則性又是相同的。上述的海岸線和山川形狀，從近距離觀察，其局部形狀又和整體形態(tài)相似，它們從整體到局部，都是自相似的。當然，也有一些分形幾何圖形，它們并不完全是自相似的。其中一些是用來描

4、述一般隨即現(xiàn)象的，還有一些是用來描述混沌和非線性系統(tǒng)的。舉例：結(jié)晶體（雪花）、西蘭花、閃電、植物根系3. 分析小世界網(wǎng)絡、無標度網(wǎng)絡和隨機網(wǎng)絡三者之間的相同點和不同點。小世界網(wǎng)絡是一種數(shù)學之圖的類型，在這種圖中大部分的結(jié)點不與彼此鄰接，但大部分結(jié)點可以從任一其他點經(jīng)少數(shù)幾步就可到達。若將一個小世界網(wǎng)絡中的點代表一個人，而連結(jié)線代表人與人認識，則這小世界網(wǎng)絡可以反映陌生人由彼此共同認識的人而連結(jié)的小世界現(xiàn)象。無標度網(wǎng)絡具有嚴重的異質(zhì)性，其各節(jié)點之間的連接狀況（度數(shù)）具有嚴重的不均勻分布性：網(wǎng)絡中少數(shù)稱之為Hub點的節(jié)點擁有極其多的連接，而大多數(shù)節(jié)點只有很少量的連接。少數(shù)Hub點對無標度網(wǎng)絡的運行

5、起著主導的作用。從廣義上說，無標度網(wǎng)絡的無標度性是描述大量復雜系統(tǒng)整體上嚴重不均勻分布的一種內(nèi)在性質(zhì)。隨機網(wǎng)絡是無尺度網(wǎng)絡的概念是隨著對復雜網(wǎng)絡的研究而出現(xiàn)的。“網(wǎng)絡”其實就是數(shù)學中圖論研究的圖，由一群頂點以及它們之間所連的邊構(gòu)成。在網(wǎng)絡理論中則換一套說法，用“節(jié)點 ”代 替 “ 頂 點 ”，用 “ 連 結(jié) ”代 替 “ 邊 ”。復 雜 網(wǎng) 絡 的 概念 ，是 用 來 描 述 由 大 量 節(jié) 點 以 及 這 些節(jié)點之間錯綜復雜的聯(lián)系所構(gòu)成的網(wǎng)絡。這樣的網(wǎng)絡會出現(xiàn)在簡單網(wǎng)絡中沒有的特殊拓撲特性。4. 從自組織臨界態(tài)的角度來看，地震的物理原理是什么？自組織臨界態(tài)是指由大量相互作用成分組成的系統(tǒng)會自

6、然地向自組織臨界態(tài)發(fā)展；當系統(tǒng)達到自組織臨界態(tài)時，即使小的干擾事件也可引起系統(tǒng)發(fā)生一系列災變。而地震可能是自然界中自組織臨態(tài)最干凈而最直接的例子了，大多數(shù)時間里，地殼是靜止的，處于郁滯時期，這種顯而易見的平靜有時候被很強烈的間歇爆發(fā)活動所打斷，于是產(chǎn)生少數(shù)非常大的地震，但更多的是小地震。地震量級的分布是一個冪率分布，不過后來提出的古登堡里特定律能更好的解釋這個問題。地殼的運動導致了能量的積累，而由于能量的積累最終會導致板塊的斷裂，從而釋放出能量，并且這個能量可能會引起一個級聯(lián)反應，形成大的地震。5. 討論存在外磁場時的鐵磁相變過程，Gibbs自由能為。解：在外磁場中，序參數(shù)選擇為M時，Gibb

7、s自由能為：因為鐵磁屬于二級相變，一階偏導數(shù)連續(xù)，得自發(fā)磁化強度隨溫度變化磁場：磁導率：為居里溫度。得分評卷人二、 光學部分 ( 共5題，每題5分，共25分)6. 請闡述全息學的基本原理以及 x射線全息學具有哪些誘人的前景？全息學以波動光學為基礎(chǔ)，利用光的干涉和衍射原理，將物體發(fā)出的特定的波以干涉條紋的形式記錄下來，并在一定的條件下使其重現(xiàn)。全息學分為兩步，波前記錄和波前重現(xiàn)，波前記錄是將物體光波與另一相干光波參考光波干涉，用照相的方法將干涉條紋記錄下來，獲得全息圖或者全息照片；波前重現(xiàn)是利用原紀錄的參考光波或其他合適的光波照射全息圖，光通過全息圖發(fā)生衍射，甚至衍射光波會形成原物體逼真的立體像

8、。與普通照相技術(shù)相比它有如下幾點基本特征，1）可以形成三維圖像；2）全息照相可以進行多重記錄，信息容量大；3）光學系統(tǒng)簡單原理上無需透鏡成像，是一種無透鏡成像方法；4）全息照片的重現(xiàn)可放大或者縮小。全息圖有多種類型，從記錄時物體與全息圖的相對位置來分類，可分為菲涅耳全息圖和夫瑯禾費全息圖。 1971年諾貝爾物理學獎授予了伽博，以表彰他發(fā)明和發(fā)展了全息學x射線全息學，盡管x射線無法利用透鏡成像，但是原子的間距與x射線的波長同數(shù)量級，周期性排列的原子對入射的x射線散射的相互干涉，會產(chǎn)生衍射點陣；用相干光對這種衍射圖樣作第二次衍射，便可恢復晶格的像，這就是伽博x射線全息學兩步成像法的由來。未來世界，

9、x射線全息學將在醫(yī)學成像、生物、科研、統(tǒng)計計量、信息科技、文字圖像、裝飾、防偽、海洋科學、軍事領(lǐng)域等有不可或缺的地位。現(xiàn)在全息學技術(shù)已經(jīng)逐步走向市場，如高聚物全息防偽標志、透明激光全息防偽膜等，其發(fā)展前景無限美好。7. 表面等離極化激元分哪兩類，各有什么特點？表面等離極化激元在傳播方向上具有比光波大的傳播波矢（更短的波長）；與光的傳播方向垂直的方向上是消逝場（限制光場）。在分類上包括金屬納米線波導和金屬介質(zhì)金屬波導。金屬納米微粒鏈狀結(jié)構(gòu)所支持的SPP特性與計算得出的金屬納米圓柱體波導中的情況非常相似，對SPP場具有亞波長尺寸的強束縛性，傳播距離僅僅為數(shù)百納米。SPP利用金屬縫隙結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)波導，

10、即（金屬介質(zhì)金屬），利用兩個界面的耦合，形成被限制在介質(zhì)核心層中的縫隙SPP模式。在縫隙寬度為50nm，激發(fā)光波長1550nm時，其典型傳播距離約為10微米。8. 簡要概述電磁誘導透明技術(shù)。電磁誘導透明技術(shù)是指通過外加控制場與吸收介質(zhì)相互作用，使得介質(zhì)對探測場的吸收發(fā)生改變，透射率增加甚至完全透明，即某種介質(zhì)強烈地吸收某一頻率的探測場，而當再加一束能被介質(zhì)吸收的控制場時，介質(zhì)對探測場就不再吸收了。這種現(xiàn)象就是電磁誘導透明技術(shù)。起源于躍遷通道之間的干涉作用，當探測光與控制光滿足雙光子共振時，由于兩條通道的躍遷幾率反號而產(chǎn)生干涉相消。電磁誘導透明技術(shù)在光速減慢，信息存儲以及高效非線性相互作用過程等

11、方面存在重要應用。9. 利用高次諧波輻射實現(xiàn)分子軌道成像的條件是什么？利用高次諧波輻射實現(xiàn)分子軌道成像的條件：一是存在一個和待成像分子的電離能相近的參考原子；二是這個參考原子的再碰撞電子波包的諧振幅總是相似的，不依賴于這個分子的取向。 下 裝 訂 線 四、 上 裝 訂 線 10. 目前負折射率材料的制備方法有哪幾種，各有什么優(yōu)缺點？在一定頻率范圍內(nèi)介電常數(shù)和磁導率都是負數(shù)的材料，稱之為負折射材料（NIM），也叫做雙負材料（DNM），左手材料。其制備方法包括：1、開口諧振環(huán)金屬線陣列法；2、傳輸線模擬方法；3、光子晶體結(jié)構(gòu)法；4、負折射手征介質(zhì)法。包括用手征介質(zhì)和共振電偶極子離子的混合物來獲得負

12、折射，或是金屬螺旋法。其優(yōu)點是沒有激發(fā)磁共振也可實現(xiàn)負折射，在實現(xiàn)光頻段負折射上有很大的前景，缺點是折射率的絕對值小。5、量子相干法，其優(yōu)點是不需要復雜的周期性結(jié)構(gòu)，對加工工藝要求不高，而且可以實現(xiàn)均勻地負折射材料，也是一種可以利用外加場調(diào)控的負折射材料，還可以在光頻范圍內(nèi)實現(xiàn)負折射。缺點是由于要滿足電偶極躍遷和磁偶極躍遷，對于原子能級的要求比較嚴格。 處理以上5種方法外，還可以通過金屬顆粒復合材料，金屬納米線，壓電壓磁多層膜，鐵電耦合雙相各向異性等方法來實現(xiàn)負折射材料的制備。得分評卷人 上 裝 訂 線 院（系）名： 班級： 姓名： 學號： 考生類別： 考試日期： 下 裝 訂 線 三、 凝聚態(tài)

13、部分 ( 共5題，每題5分，共25分)11. 極化分哪幾類？各類極化機制？極化是指在電場作用下，雖然正負電荷因為電場發(fā)生運動，但是并不能離開介質(zhì)而形成電流，只能產(chǎn)生微觀尺度的相對位移，即偶極矩，這就是極化。其分類包括1、電子位移極化；2、離子位移極化；3、自發(fā)極化；4、偶極矩轉(zhuǎn)向極化；5、熱離子極化；6、夾層式極化。電子位移極化，是指在外電場作用下，電子云相對原子核的位移是彈性聯(lián)系，其振動頻率在光頻范圍，所以電子極化又稱為光極化，極化建立和消除時間極短。約10-1510-16s。離子位移極化是指離子晶體中正、負離子發(fā)生相對位移而形成的極化。自發(fā)極化是指在沒有外電場的作用時，晶體內(nèi)部某些區(qū)域的正

14、負電荷中心不重合而呈現(xiàn)出的電磁極矩。偶極子轉(zhuǎn)向極矩指的是當極性分子受外電場作用時，偶極子就會產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，由于偶極子與電場方向相同時具有最小位能。于是，就電介質(zhì)整體來看，偶極矩就不再等于零。從而出現(xiàn)的沿電場方向的宏觀偶極矩。熱離子極化是指在高溫等離子體中的正負電荷發(fā)生相對位移而形成的極化。 夾層式極化是多層電解質(zhì)組成的復合絕緣中產(chǎn)生的一種特殊的空間電荷極化。12. 半導體的能帶結(jié)構(gòu)與金屬導體、絕緣體的能帶結(jié)構(gòu)有何區(qū)別？金屬導體的費米能級F在一個能帶的中央，該能帶被部分填充。由于能帶的亞結(jié)構(gòu)之間的能量相差很小，因此這時只需很少的能量（如一外加電場），就能把電子激發(fā)到空的能級上，形成定向移動的電流。這

15、正是具有這種能帶結(jié)構(gòu)的物質(zhì)被稱為金屬導體的原因。如果某一能帶剛好被填滿，它與上面的空帶間隔著一個禁帶。此時大于帶隙間隔的能量才能把電子激發(fā)到空帶上去。一般帶隙較大（大于10eV數(shù)量級）的物質(zhì)，被稱為絕緣體。而帶隙較?。ㄐ∮?eV數(shù)量級）的物質(zhì)，被稱為半導體。半導體的費米能級位于滿帶與空帶之間的禁帶內(nèi)，此時緊鄰著禁帶的滿帶稱為價帶，而上面的空帶稱為導帶。如果由于某種原因?qū)r帶頂部的一些電子激發(fā)到導帶底部，在價帶頂部就相應地留下一些空穴，從而使導帶和價帶都變得可以導電。所以半導體的載流子有電子和空穴兩種。可見，半導體介于導體與絕緣體之間的特殊的導電性是由它的能帶結(jié)構(gòu)決定的。13. 選取催化劑材料為

16、什么受材料禁帶寬度的制約？催化劑材料能帶構(gòu)型決定著它的光吸收能力、光激電子空穴對的產(chǎn)生、載流子的遷移以及躍遷態(tài)的電子和空穴的氧化還原能力。若從光吸收角度考慮，直接帶隙（禁帶寬度）和窄帶半導體顯然更可取，可惜一般情況下，這種半導體的光激電子空穴對的復合幾率也比價高。例如：金屬硫化物帶隙能較小，相應波長較大，對可見光敏感，但是卻不穩(wěn)定，易氧化。反而是一些常見的半導體如TiO2雖然是間接禁帶寬度半導體，卻能展現(xiàn)出不錯的光吸收特征。但是由于禁帶寬度較寬，只在紫外線區(qū)域顯示其光化學活性，因而對光能的吸收利用率不高，只能利用不到5%的太陽能。14. 超導體應用時必須滿足那些條件？這些條件之間的關(guān)系是什么？

17、超導體應用時必須是符合現(xiàn)實應用的高溫超導材料，超導材料在超導狀態(tài)下具有零電阻和完全的抗磁性，因此只需消耗極少的電能，就可以獲得10萬高斯以上的穩(wěn)態(tài)強磁場。而用常規(guī)導體做磁體，要產(chǎn)生這么大的磁場，需要消耗3.5兆瓦的電能及大量的冷卻水，投資巨大。所以超導體的應用范圍非常廣闊，大致可分為三類：大電流應用（強電應用）、電子學應用（弱電應用）和抗磁性應用。大電流應用即前述的超導發(fā)電、超導輸電和超導儲能；電子學應用包括超導計算機、超導天線、超導濾波器件、微波器件等；抗磁性主要應用于磁懸浮列車和熱核聚變反應堆等。15. 非常規(guī)超導的共性主要有哪些？非常規(guī)超導主要包括重費米子超導，有機超導，銅氧化物超導和鐵

18、基超導等。他們的共性主要有：1、同樣遵從Homes定律；2、具有同樣的層狀機構(gòu)2D特征；3、結(jié)構(gòu)成分都有過濾或者稀土元素存在；4、非常規(guī)超導的磁共振模類似。磁共振是超導的副產(chǎn)品，費米子和玻色子的相互作用可以產(chǎn)生新的玻色子。5、量子臨界點類似。6、具有相同的強關(guān)聯(lián)Hubbard模型。得分評卷人四、 聲學部分 ( 共5題，每題5分，共25分)16. 試舉三例說明超聲波都有哪些應用？這些應用基于超聲波的什么特點？一、超聲波的特點：方向性好、穿透力強、有巨大能量、易透射、反射、折射與聚集等。二、超聲波在生產(chǎn)實際中的應用 1、雷達（方向性好，易反射）。2、超聲探傷儀（穿透力強、易透射）。3、清洗精密部件

19、（有巨大能量）。17. 簡述超聲清洗的工作機理與特點。超聲波發(fā)生器產(chǎn)生的高于20KHZ的超音頻電能，通過換能器轉(zhuǎn)換成同頻率機械振動機械振動傳入清洗液，超聲波疏密相間地向前傳導，產(chǎn)生無數(shù)的微小氣泡，這些氣泡是在超聲波縱向傳播的負壓區(qū)形成及生長，而在正壓區(qū)迅速破裂。這種微小氣泡的形成、生長、迅速破裂過程稱為“空化效應”。在空化效應中氣泡破裂后產(chǎn)生超過10000個大氣壓的瞬時高壓，連續(xù)不斷產(chǎn)生的瞬時高壓就象一連串小爆炸不斷地轟擊物體表面，使物體表面污垢迅速脫落。當液體介質(zhì)中傳入一定強度的超聲波時，被清洗物體的表面反復出現(xiàn)加壓和減壓產(chǎn)生空化效應，液體內(nèi)出現(xiàn)微小空洞，當聲波達到一定強度時，空洞會發(fā)生劇烈

20、爆炸，產(chǎn)生強烈碰撞，壓力達5-50噸/平方厘米，具有很大的能量，使水分以超過10000G的加速度撞擊被清洗物體的表面，將污物撞擊下來，從而達到顯著的清洗效果，并且這種效果可隨液體到達被清洗物體的所有表面，這是手工洗刷，機械振動等常規(guī)手段所無法達到的。由上述超聲清洗原理可知，凡是液體浸到，空化產(chǎn)生的地方都有清洗作用，不受清洗件表面復雜形狀的限制，如精密零部件表面的空穴、凹槽、狹縫和深孔、微孔都能得到清洗，而這些部位用一般刷洗方法是不能清洗干凈的。所以超聲清洗的特點是高速度、高質(zhì)量，易于實現(xiàn)自動化。在某些場合可以用水劑代替油或有機溶劑進行清洗，或降低酸或堿的濃度清洗，減少環(huán)境污染。在一些難以清洗并有損人體健康的場合，如核工業(yè)及醫(yī)療中的放射性污物可以用超聲清洗，并能實現(xiàn)遙控或自動化。超聲清洗的另一個特點是對聲反射強的材料，如金屬、玻璃等，其清洗效