前沿物理
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前沿物理篇一:物理学前沿专题
《物理前沿专题》教学大纲
本课程教学大纲依据应用物理学专业2015版人才培养方案制定。
课程名称:物理前沿专题
课程代码:B1509121
课程管理:数理学院应用物理学教研室
教学对象:应用物理学专业
教学时数:总时数 32学时,其中理论教学 32 学时,实验实训 0 学时。 课程学分:2
课程开始学期:5
课程性质:专业教育拓展课程
课程衔接:(1)先修课程:无先修课程
(2)后续课程:多门专业课
一、课程教学目标及要求
本课程的教学的目标是:1、开阔本科高年级学生和研究生的物理学视野,使他们对物理学的各个前沿问题有一些初步的了解,以便于今后选择适合的研究或作领域;2、给学生今后的学习与研究提供一个向导;3、激发学生对物理学,特别是对基础物理学和理论物理学的热情,鼓励他们从事物理学教学与研究工作,为发展中国和世界的物理学做出项献。
二、教学内容及要求
第一专题 信息技术前沿(发展趋势)
(一)教学目标
使学生对信息技术前沿(发展趋势)有比较深入的了解和掌握。
(二)知识点及要求
1. 低维半导体结构中量子信息基础研究
2.单个小量子结构物理
3.硅基光电子集成中的纳米结构设计及其基本物理问题和基本功能研究
(三)教学重点与难点
重点难点:
低维半导体结构中的量子信息、单个小量子结构物理、硅基光电子集成中的纳米结构设计及其基本物理问题和基本功能
第二专题 分子层面的信息技术及相关技术
(一)教学目标
使学生对分子层面的信息技术及相关技术有比较深入的了解和掌握。
(二)知识点及要求
1. 固态量子信息过程与分子电子器件
2.在分子层次上的基本问题与应用研究
(三)教学重点与难点
重点难点:
固态量子信息过程与分子电子器件
在分子层次上的基本问题与应用研究
学生掌握要点:
1. 固态量子信息过程与分子电子器件
2.在分子层次上的基本问题与应用研究
第三专题 材料科学技术前沿
(一)教学目标
使学生对材料科学技术前沿有比较深入的了解和掌握。
(二)知识点及要求
1. 自旋电子学
2.有机固体材料的机理研究及设计与合成
3.半导体材料中与自旋有关的量子现象
(三)教学重点与难点
重点难点:
自旋电子学、有机固体材料的机理研究及设计与合成
、半导体材料中与自旋有关的量子现象
学生掌握要点:
1. 自旋电子学
2.有机固体材料的机理研究及设计与合成
3.半导体材料中与自旋有关的量子现象
第四专题 超导理论和技术动态
(一)教学目标
使学生对超导理论和技术动态有更多的了解和掌握。
(二)知识点及要求
1. 现阶段超导理论和技术动态
2.超导理论和技术发展的方向
3.超高压下凝聚态物质的结构、性质与相互作用基本规律
4.多铁性材料及其多场耦合效应
(三)教学重点与难点
重点难点:
超导理论和技术、
超高压下凝聚态物质的结构、性质与相互作用基本规律
多铁性材料及其多场耦合效应
学生掌握要点:
1. 现阶段超导理论和技术动态
2.超导理论和技术发展的方向
3.超高压下凝聚态物质的结构、性质与相互作用基本规律
4.多铁性材料及其多场耦合效应
第五专题 晶体、液晶、光子晶体----声子晶体
(一)教学目标
使学生对晶体、液晶、光子晶体----声子晶体,有更多的了解和掌握。
(二)知识点及要求
1. 晶体
2.液晶
3.光子晶体----声子晶体
(三)教学重点与难点
重点难点:
晶体、液晶、光子晶体----声子晶体
学生掌握要点:
1. 晶体
2.液晶
3.光子晶体----声子晶体
第六专题 等离子体技术前沿
(一)教学目标
使学生对等离子体技术前沿有更多的了解和掌握。
(二)知识点及要求
1. 等离子体简介
2.等离子体物理学科发展简史
3.等离子体性质
4、等离子体中电磁场
5、磁场对等离子体的作用
6、等离子体的应用
7、热等离子体的应用
(三)教学重点与难点
重点难点:
等离子体性质、
等离子体中电磁场
磁场对等离子体的作用
等离子体的应用
热等离子体的应用
学生掌握要点:
1.等离子体物理学科发展简史
2.等离子体性质
3、等离子体中电磁场
4、磁场对等离子体的作用
5、等离子体的应用
6、热等离子体的应用
第七专题 物理学在生物、生命科学中的重要作用
(一)教学目标
使学生非常明确的知道物理学在生物、生命科学中起着非常重要的作用
(二)知识点及要求
1. 单分子操纵与单分子生物物理研究动态
2.蛋白质折叠的物理机制和复杂性表征的研究
3.蛋白质与DNA的相互作用
4、关于染色体结构与组装的研究动态
5、在现代生物和生命科学中所采用的最新研究手段
(三)教学重点与难点
重点难点:
单分子操纵与单分子生物物理
蛋白质折叠的物理机制和复杂性表征
蛋白质与DNA的相互作用
关于染色体结构与组装的研究
在现代生物和生命科学中所采用的最新研究手段
学生掌握要点:
1. 单分子操纵与单分子生物物理研究
2.蛋白质折叠的物理机制和复杂性表征的研究
3.蛋白质与DNA的相互作用
4、关于染色体结构与组装的研究
5、在现代生物和生命科学中所采用的最新研究手段
前沿物理篇二:物理学前沿
物理学院2012级教育硕士 陕西师范大学2014~2015学年第一学期期末考试 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? 对于什么是混沌,目前科学上还没有确切的定义,但随着研究的深入,混沌的一系列特点和本质的被揭示,对混沌完整的、具有实质性意义的确切定义将会产生。目前人们把混沌看成是一种无周期的第 1 页 (共 8 页)
有序。它包括如下特征:
(1)内在随机性。它虽然貌似噪声,但不同于噪声,系统是由完全确定的方程描述的,无需附加任何随机因数,但系统仍会表现出类似随机性的行为;
(2)分形性质。前面提到的lorenz吸引子,Henon吸引子都具有分形的结构;
(3)标度不变性。是一种无周期的有序。在由分岔导致混沌的过程中,还遵从Feigenbaum常数系。
(4)敏感依赖性。只要初始条件稍有偏差或微小的扰动,则会使得系统的最终状态出现巨大的差异。因此混沌系统的长期演化行为是不可预测的
2. 分形结构的特点是什么?请举例说明。 特点是无定形,不光滑,具有自相似性。如弯弯曲曲的海岸线、起伏不平的山脉,粗糙不堪的断面,变幻无常的浮云,九曲回肠的河流,纵横交错的血管,令人眼花缭乱的满天繁星等。它们的特点都是,极不规则或极不光滑。即每一元素都反映和含有整个系统的性质和信息,从而可以通过部分来印象整体。
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。
共同点:都是用特征路径长度和聚合系数来衡量网络特征。不同点:在网络理论中,小世界网络是一类特殊的复杂网络结构,在这种网络中大部份的节点彼此并不相连,但绝大部份节点之间经过少数几步就可到达。规则网络具有很高的聚合系数,大世界(large world,意思是特征路径长度很大),其特征路径长度随着n(网络中节点的
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数量)线性增长,而随机网络聚合系数很小,小世界(small world,意思是特征路径长度小),其特征路径长度随着log(n)增长中说明,在从规则网络向随机网络转换的过程中,实际上特征路径长度和聚合系数都会下降,到变成随机网络的时候,减少到最少。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,任意两个点之间的特征路径长度短,但聚合系数低。而小世界网络,点之间特征路径长度小,接近随机网络,而聚合系数依旧相当高,接近规则网络。发现规则网络具有很高的聚合系数,大世界(large world,意思是特征路径长度很大),其特征路径长度随着n(网络中节点的数量)线性增长,而随机网络聚合系数很小,小世界(small world,意思是特征路径长度小),其特征路径长度随着log(n)增长中说明,在从规则网络向随机网络转换的过程中,实际上特征路径长度和聚合系数都会下降,到变成随机网络的时候,减少到最少。
4. 从自组织临界态的角度来看,地震的物理原理是什么?
所谓“自组织”是指该状态的形成主要是由系统内部组织间的相互作用产生,而不是由任何外界因素控制或主导所致。所谓“临界态”是指系统处于一种特殊敏感状态,微小的局部变化可以不断放大、扩延至整个系统。也就是说,系统在临界态时,其所有组份的行为都相互关联。地震有很多种类,而根据自组织临界态的定义来看,构造地震是可以用自组织临界态来解释的,构造地震是由于岩层断裂,慢慢的发生变位错动,从而在地质构造上发生巨大变化而产生的地震,也叫断裂地震。由于断层带的地壳是有规则的移动,地壳外部是硬的,而内部是一个流动的层,内部流动的层会推挤外部并使其变形,导致能量积累,当地下的能量积累到必须使地壳发生移动时,就会导致板块断裂,从而释放出能量,然而这种地震是有周期的。而绝不是所有的运动都是有规则的,规则之外的运动,就促生偶然的地震,偶然的地震往往能量巨大,瞬时引发,并不是周期内。
5. 讨论存在外磁场时的铁磁相变过程,Gibbs自由能为
11G(T,M)?G0(T)?a0(T?TC)M2?bM4?HM。 24
Landau引入序参量,G=G(T,p,?),通过?的取值,使得G-T图像在
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T?Tc,??0,表示无序;T?Tc,??0,表示一种有序态。无序到有序,称为对称性破缺,或对称性降低。G在?=0附近展开
11G(T,?)?G0(T)?a(T,p)?2?b(T,p)?4?……,平衡时24G取极值
?G,对应是否稳定,需?a(T,p)??b(T,p)?3?0,两个根??0,???
??2G?2G2要判断二阶导数2?a(T,p)?2b(T,p)?,如果a>0则2????
?2G应极小值,相稳定,如果,a<0,则2???0,G对??0??0?0,G对应极大值,相不
稳定。a=0,对应相变,一般设a(T,p)?a(T?TC),应用于铁磁相变,序参量选M,Gibbs自由能为
11G(T,M)?G0(T')?a0,m(T?Tc,m)M2?bmM4,铁磁属于二级相变,一阶24
偏导数连续,得自发磁化强度随温度变化Ms2??
H?a0,mbm(T?Tc,m),磁场:?G1?H?a0,m(T?Tc,m)M?bmM3,磁导率??a0,m(T?Tc,m)?3bmM2,?M?0,m?M
Tc,m为居里温度
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二、 光学部分 ( 共5题,每题5分,共25
景?
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全息,又称全息投影,是一种记录被摄物体反射(或透射)光波中全部信息(振幅、相位)的照相技术,而物体反射或者透射的光线可以通过记录胶片完全重建,其位臵和大小同之前一模一(转 载于:www.hnNscy.CoM 博文学习网:前沿物理)样。通过不同的方位和角度观察照片,可以看到被拍摄的物体的不同角度,因此记录得到的像可以使人产生立体视觉。基本原理:其第一步是利用干涉原理记录物体光波信息,此即拍摄过程:被摄物体在激光辐照下形成漫射式的物光束(图A);另一部分激光作为参考光束射到全息底片上,和物光束叠加产生干涉,把物体光波上各点的位相和振幅转换成在空间上变化的强度,从而利用干涉条纹间的反差和间隔将物体光波的全部信息记录下来。记录着干涉条纹的底片经过显影、定影等处理程序后,便成为一张全息图,或称全息照片;其第二步是利用衍射原理再现物体光波信息,这是成象过程:全息图犹如一个复杂的光全息术栅,在相干激光照射下,一张线性记录的正弦全息图的衍射光波一般可给出两个象,即原始象(又称初始象)和共轭象。再现的图像立体感强,具有真实的视觉效应。全息图的每一部分都记录了物体上各点的光信息,故原则上它的每一部分都能再现原物的整个图像,通过多次曝光还可以在同一张底片上记录多个不同的图像,而且能互不干扰地分别显示出来。x射线全息学的前景:可以被应用于医学领域进行诊断,治疗和防护,放射医学是医学的一个专门领域,它使用放射线照相术和其他技术产生诊断图像,这可能是X射线技术应用最广泛的地方。X射线的用途
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前沿物理篇三:物理学前沿知识
《九年义务教育三年制初级中学教师教学用书 第二册 物理》试用修订版 上海科学技术
出版社 华东地区初中物理教材编写协作组 编2002年8月第一版 第一次印刷
参考资料P346
1、 物理学——前沿科学的支柱
自然界是无限广阔庭丰富多彩的。物理学是自然科学中最基本的科学,它研究物质运动的形式和规律,物质的结构及其相互作用,以及如何应用这些规律去改造自然界。因此,物理学又是许多科学技术领域的理论基础。
从本世纪开始,物理学经历了极其深刻的革命,从对宏观现象的研究发展到对微观现象的研究,从研究低速运动发展到研究高速运动,由此诞生了相对论和量子力学,并在许多科技领域中引发了深刻的变革。
物理学在认识、改造物质世界方面不断取得伟大成就,不断揭示物质世界内部的秘密;而社会的发展又对物理学提出无穷无尽的研究课题。例如,原子能的利用,使人类掌握了武器和新能源;激光技术的出现,焕发了经典光学物理的青春,使许多以往光学技术办不到的事情,现还能办到了;半导体科学技术的发展,导致了计算技术、无线电通信和自动控制的革命;超导电性、纳米固体材料和非晶态材料的出现,如金属物理、半导体物理、电介质物理、非晶态物理、表面与界面物理、高压物理、低温物理等。此外,物理学与其他学科之间的渗透,又产生了许多边缘交叉学科,如天体物理、大气物理、生物物理、地球物理、化学物理和最近发展起来的考古物理等。
我们可以说,物理现象存在于人类生活和每个角落,发生在宇宙的每一地方,物理学是推动科学技术发展的重要支柱,它是自然科学中应用广泛、影响深刻、发展迅速的一门基础科学和带头科学。
2、“无限大”和“无限小”系统物理学
“无限大”和“无限小”系统物理学是当今物理学发展一个非常活跃的领域之一。天体物理学和宇宙物理学就属于“无限大”系统物理学的范畴,它从早期对太阳系的研究,逐步发展到银河系,直至对整个宇宙的研究。热大爆炸宇宙模型作为20世纪后半叶自然科学中四大成就之一是当之无愧的。利用该模型可以成功地解释宇宙观测的最新结果,如宇宙膨胀、宇宙年龄下限、宇宙物质的层次结构、宇宙在大尺度范围内是各向同性的等重要结果。可以说,具有暴胀机制的热大爆炸宇宙模型已为现代宇宙学奠定了可靠的基础。但是到目前为止,关于宇宙的起源问题仍没有得到根本解决,还有待于科学工作者进一步的努力和探索。 原子核物理学和粒子物理学等属于“无限小”系统物理学的范畴。它从早期对原子和原子核的研究,逐步发展到对基本粒子的研究。
基本粒子是在物质结构层次中属于比原子核更深层次的物质单元,如光子、质子、中子、π介子等。迄今已确认有400余种基本粒子,它们都是通过宇宙射线和加速器实验发现的。基本粒子的性质可用一系列描述其内禀性质的物理量,如质量、电荷、自旋、宇称、同位旋、轻子数、重子数、奇异数、超荷等表征。基本粒子之间存在着弱相互作用、电磁相互作用和强相互作用(见下面介绍的“物质间的基本相互作用”)。通过这些相互作用,基本粒子可发生创生、湮没以及相互转化等现象。
按照参与相互作用的类型,通常将基本粒子区分为三大类:轻子、强子、和规范玻色子。轻子如电子、μ子和中微子等;它们仅参与弱作用和电磁作用。强子如质了、中子、π介子
±等,它们参与上述全部三种作用。规范玻色子如光子、中间玻色子(W,Z0)、胶子等,它
们是传递相互作用的媒介粒子,光子传递电磁作用,中间玻色子传递弱作用,胶子传递强作用,目前人们已经知道,强子都是由更小的粒子——“夸克”构成。至今已经发现了多种夸克。
基本粒子中除光子、电子、中微子和质子以及它们的反粒子等极少数几类粒子是稳定粒子外,绝大多数都是不稳定粒子,经历一定平均寿命后,将通过相互作用而转化为其他粒子。平均寿命大于10-16S的粒子包括稳定粒子只有30余种,粒子物理学中常常把这些粒子都称为稳定粒子。其余约百余种粒子的寿命约为10-20S,另外200余种粒子的寿命约为10-23S,相当于接近光速运动的粒子穿越10-15M距离所需时间。
随着实验和理论研究的不断深入,20世纪60年代以来已发现许多基本粒子具有内部结构,这个发现使人们认识到,基本粒子这一名称并不确切。所以目前物理学界常常把原来所谓基本粒子的物质统称粒子,把研究基本粒子性质及其相互转化规律的学科称为粒子物理学。
从表面上看“无限大”系统物理学与“无限小”系统物理学似乎没有必然的联系。宇宙和天体物理学家利用广义相对论来描述引力和宇宙的“无限大”结构(可观察的宇宙范围),而粒子物理学家则利用量子力学来处理一些“无限小”微观区域的现象。其实,宇宙系统与原子系统在某些方面有着惊人的相似性,可以进行类比。目前该领域研究目标之一就是将两者结合起来,即将微观粒子物理学与宇宙物理学结合起来进行研究。热大爆炸宇宙模型就是这种结合的研究典范。
2、 物质间的基本相互作用
自然界普遍存在的物质间相互作用亦称基本力,迄今发现自然界中存在四种基本相互作用,即引力相互作用、电磁相互作用、弱相互作用和强相互作用,其中引力作用和电磁作用广泛地存在于微观、宏观及宇观现象中,而弱作用和强作用则仅仅存在于比原子核更深层次的微观领域中,物理学中的一切现象和一切相互作用都可归因天这四种基本相互作用。
(1) 引力相互作用
物质间最普遍存在的一种基本相互作用,牛顿于17世纪用万有引力定律描述这种作用,爱因斯坦于1916年建立了广义相对论,利用时空弯曲来描述这种相互作用,并引进了引力场的概念。引力作用在四种基本作用中其强度最弱。例如两个质子之间的引力与它们之间在
2-38同样距离上的库仑力之比为4πε0Gmp/e≈10,式中ε 0为真空电容率,G为引力常量,mp
和e分别为质子的质量和电荷。由于引力作用的强度很弱,在微观现象和不少宏观现象中通常可不考虑。但是在大质量和电中性的天体和宇宙学等宇观领域中,引力相互作用常常起决定性作用的。
(2) 电磁相互作用
带电粒子间的相互作用,这种作用是通过电磁场传递的,在量子理论中,电磁场由光子构成,所以实质上说,电磁作用是带电粒子间通过光子传递的一种相互作用,从牛顿的万有引力定律和电磁学中的库仑定律可以看出,引力和电磁力的值都与两个质点或两从此点电荷的距离平方成反比,即它们都是“平方反比的力”。这种力称为长程力,它们广泛地表现在
-10 -10-8 微观和宏观等现象中。在原子线度(~ 10m)、分子线度(10~10m)以及宏观线度上
所发生的许多物理现象都可归因于电磁相互作用。通常所说分子力、范德瓦尔斯力、摩擦力、附着力、弹性力等实质上都是电磁力的表现。宏观电磁相互作用的理论是1864年麦克斯韦建立的电磁理论,这个理论也常称为“经典电动力学”。该理论与量子力学原理相结合,便产生了“量子电动力学”,它是描写微观电磁相互作用的理论,电磁相互作用是目前人们研究得最多,认识最为深刻,应用也最为广泛的一种基本相互作用。
(3) 弱相互作用
人们对于弱作用的研究开始于20世纪30年代关于β衰变现象的研究,β衰变是一个中子衰变为一个质子、一个电子和一个相应的反中微子的过程。中子的寿命很长(约15min),所以导致中子发生β衰变的作用强度很弱,这种作用便称为弱相互作用。弱作用与电磁作用
3相比,有如下两个特点:一是其作用强度小,电磁作用的强度比弱作用的强度大10