小球与匀质细杆的碰撞——大学物理教学问题探讨

小球与细杆的碰撞问题是大学物理教学中刚体部分的一个难点问题。本文对小球与静止细杆的碰撞问题进行了分析计算,给出:通常情况下小球—细杆组成的系统所受合外力矩为零或近似为零,角动量守恒;如果细杆没有固定的光滑轴,小球与置于光滑水平面或是竖直放置的细杆碰撞时,动量或沿某一方向的动量分量守恒。如果细杆有固定光滑轴,则只有小球与细杆某一特定部位碰撞时某一方向的动量分量才有可能守恒;碰撞中如果恢复系数e≠1,动能不守恒,碰撞后小球可能继续向前运动,也可能被弹回或是停止运动。如果e=0,小球粘附于细杆之上和细杆一起绕固定轴或是小球—细杆系统的质心转动。

超高维部分线性模型的PRAR变量选择

本文考虑超高维部分线性模型,其中参数向量维数是样本量的指数阶.基于profile最小二乘方法和保留正则化方法,本文提出了新的变量选择方法用来解决超高维部分线性模型的变量选择问题.在一定的正则条件下,证明了所得估计量的符号相合性.通过数值模拟和实例分析,将该方法与Lasso、SIS-Lasso、自适应Lasso方法进行对比,发现所提方法在恢复线性部分参数向量符号方面明显优于其它方法.

大学物理实验课程的思政教学与科研育人

为全面推进高校课程的思政建设,增强课程的育人功能,将思政元素与科研育人融入课堂的讲授中,让思想道德教育和科技报国理念贯穿教育教学的全过程,实现全程育人、全方位育人,增强教育的针对性、实效性和亲和力、感染力,为学生健康成长、创新培养和职业规划营造良好的环境氛围。本文以大学物理实验课程为例,具体讲授如何发挥课程思政的重要作用,实现对学生知识、能力和价值的综合培养,以及如何在授课过程中培养学生的科学精神,为国家储备创新型科技人才。具体地,本文通过几个课堂教学案例来体现“价值引领、知识传授、能力培养”三位一体的教学理念,强化大学物理实验课程教学的立德树人功效,提高学生的爱国、敬业、诚信修养,引导学生掌握科学发展规律,丰富学识,增长见识,提升能力,以科学知识作为载体,寓价值观引导于知识传授之中,从而激发学生科技报国的家国情怀以及对该领域相关知识的追求动力。

“基于自旋选择性的手性分子检测”大学实验教学案例设计

准确识别生物分子的手性对于疾病诊断和病毒检测领域十分重要。通常手性检测主要基于材料对左旋/右旋圆偏振光具有不同的吸收,从而确定该材料的手性特征。该方法普适性差、实验操作相对繁琐、所需分子量较大、检测成本较高。针对以上问题,提出了新的大学实验教学案例设计,采用很少量的自组装的单分子层,利用线偏振光的克尔效应实现了对手性分子的手性检测。其新原理为手性分子诱导的自旋选择性,分子的手性结构会导致其对穿过分子的单电子产生自旋极化,从而产生克尔旋转角。通过指导学生对光路的设计与搭建,同时完成分子的自组装,使学生加强对光与物质相互作用的理解,并培养学生的创新性思维。

区块链技术下考虑有仿冒品介入的二手卖家博弈与定价策略研究

二手市场中的假冒现象屡见不鲜,区块链技术的溯源功能可解决这一问题,但是在区块链发展初期,无法完全保证链上信息的真实性并且采用区块链技术需要成本.该文构建了由销售正品的高质量卖家和销售仿冒品的低质量卖家组成的Stackelberg博弈.分析了卖家的最优策略:两个卖家都不采用区块链技术(NN模型),只有高质量卖家采用区块链技术(BN模型),两个卖家都采用区块链技术(BB模型).研究发现低质量卖家在一定条件下也会采用区块链技术,并且能够促进高质量卖家披露更多的产品信息.数值实验表明,当高质量卖家和低质量卖家都采用区块链技术时消费者剩余最大.

基于植入式光纤传感网络的固体火箭发动机结构健康监测

为实现对固体火箭发动机结构健康状态的实时监测和评估,设计并研制了一种高强度飞秒光栅传感网络,重点研究了传感器与信号传输链路的涂覆和封装。开展了发动机界面脱粘模拟实验。设计可用于发动机应变、温度和载荷的模拟演示系统,建立了基于光纤传感器采集数据的发动机数字孪生模型,形成发动机实物与数字孪生体的精准映射。最后将光纤传感器阵列植入发动机,对发动机开展水压监测实验、高低温存储实验、长周期监测实验和点火实验。对监测结果进行无损检测验证,结果表明该传感网络能够准确测量出发动机的应变状态,为固体火箭发动机的结构健康管理提供有效的数据支撑。

脉冲激光沉积ZnSe:Co_(x)纳米晶薄膜的微结构及光学性质研究

采用脉冲激光沉积技术在基片温度为800℃条件下制备了不同Co含量的ZnSe:Co_(x)(x=0.1,0.3,0.5)微晶薄膜。通过X射线衍射、原子力显微镜、X射线光电子能谱、红外透射光谱及光致发光光谱分析了薄膜的微结构及光学特性。结果表明:所制备的纳米晶薄膜结晶质量优秀,具有(111)择优取向,薄膜结晶质量、光谱透射率和光学带隙均随Co含量的增加而减小;薄膜在波长约700~850 nm处存在一吸收带,这源于Co^(2+)在周围Se^(2-)构成的四面体晶场中^(4)A_(2)(^(4)F)→^(4)T_(1)(4P)能级之间的跃迁;当Co掺入量x=0.5时,薄膜达到过掺杂状态,α-Co杂质相出现,薄膜红外光致发光谱大幅降低。

基于TPX透镜的连续太赫兹波像面数字全息成像研究

太赫兹波对非极性材料具有良好的穿透性,与太赫兹波强度成像相比,相衬成像能够更好的反映物体的内部结构。本文提出了基于TPX透镜的连续太赫兹波像面数字全息相衬成像方法,研究了全息记录和再现过程,利用曲面拟合畸变校正去除TPX透镜引入的二次相位畸变。实验搭建了太赫兹像面数字全息成像系统,利用振幅型西门子星样品对系统的成像分辨率进行了定量分析,同时对有机材料和生物样品两种相位型样品进行成像,实验验证了该相衬成像方法的有效性。在太赫兹波段引入像面成像,有利于提高太赫兹成像分辨率及成像质量,在生物医学成像、无损检测等领域具有广泛的应用前景。

3D打印衍射元件的高分辨太赫兹计算机辅助层析成像研究(特邀)

提出了一种由三维打印技术制作的用于0.3 THz波束调控的二元相位型衍射透镜,可产生轴向焦深为25 mm、腰斑直径为1 mm的太赫兹聚焦波束。将该聚焦波束应用于连续太赫兹波计算机辅助层析成像,不仅将成像分辨率提高到1.5 mm,而且由于扩大了系统景深,提高了成像保真度。这类利用三维打印技术制作的二元衍射元件可有效应用于低频太赫兹波段的光束调控,为太赫兹成像系统的性能优化以及聚焦元件的设计制备提供一种有效途径。

相干光超分辨率显微成像移频机理研究

本文以4f光学相干成像系统为基础,研究了倾斜光照明物体的情况下,物体频谱的移动规律以及对最终成像的影响。首先,分析了典型物体的频谱,揭示了物体信息与其频谱分布之间的映射关系。其次,基于该衍射受限的成像系统,研究了在倾斜光照明物体的情况下,频谱整体的移动导致系统通频带的频谱成分发生了改变,从而引起成像结果变化的规律。模拟结果表明在单次倾斜光照明物体时,相干成像的结果比较复杂,一般是无法真正提高成像分辨率的;只有获取不同角度倾斜光照明情况下的像面复振幅分布或其频谱,通过融合形成一个包含更多高频成分的频谱,方能实现提高成像分辨率。本文把傅里叶光学中基本的概念和科研前沿相结合,帮助学生加深理解教学中的知识点,并着重体会知识点是如何运用于科研创新的过程。

基于微波频差转换的光学拍频研究

光学拍频是大学物理和光学实验教学中的重要内容.由于激光器存在中心波长漂移问题,实验中不易产生可观测的拍频信号.受到微波光子技术中微波波段和光波波段相互作用机理的启发,提出了基于微波频差转换的光学拍频方法.借助强度调制和相位调制将两个频差较小的微波信号调制到同一光载波上,结合光学滤波器获得了两个频差极小的稳定光信号,利用光电探测器实现光学拍频,从仿真和实验两个层面分别获得了可视化的低频拍频信号.该研究为大学物理和光学实验提供了与科学前沿相结合的实验方案,可拓展教学内容和教学深度,有利于培养学生的科学素养.

铌酸锂薄膜调制器的协同仿真与优化设计

电光调制器的半波电压和带宽主要取决于其电极结构,基于绝缘体上铌酸锂(lithium niobate on insulator, LNOI)结构调制器波导与基底折射率差为传统工艺的10倍左右,能够大幅提高光场和电场的重叠度,降低调制器的半波电压,提升调制带宽.当前迫切需要针对这一新型调制结构的电极进行优化设计.应用COMSOL Multiphysic和HFSS软件对LNOI结构的强度调制器进行协同仿真和优化设计.主要讨论了电极宽度、电极厚度、电极间距和上下包层厚度对调制器特性参数的影响,得到了调制器的电光重叠积分、微波折射率、微波衰减系数和电极特性阻抗等参数.在此基础上,通过约束算法优化设计这些性能参数达到提高带宽和降低半波电压的目的.结果表明,在电极长度为1 cm的情况下,半波电压约为2.17 V,3 dB带宽大于70 GHz.该研究工作对基于LNOI结构的电光调制器的电极设计具有重要的指导意义.

角谱法数值再现离轴菲涅耳数字全息成像的物理机制探讨

本文以离轴菲涅耳数字全息实验为基础,探讨了基于角谱衍射传播方法进行数字全息图重建的成像性能,重点挖掘数值计算背后的物理机理,帮助学生更好地理解所涉及的信息光学知识点。首先,介绍了离轴菲涅耳数字全息图常用两种再现方法的原理,分别是频域滤波方法和空域直接回传方法;然后,利用模拟实验分析了这两种方法在实现成像分辨率和视场方面的特征,把全息理论与仿真现象充分地联系起来,揭示隐藏在数值计算之后的光学原理。本文通过对数字全息图前向和后向传播获取再现像的对比分析,加深对傅里叶变换、衍射传播、频谱滤波等基本物理概念的理解和掌握。

斜群代数的倾斜维数

基于倾斜理论引入了倾斜投射模的概念.讨论了它的基本性质,并进一步引入了模的倾斜投射维数以及Artin代数的倾斜整体维数.令G是有限群,研究了Artin R-代数∧和斜群代数∧G的倾斜整体维数之间的关系,得到等式t.gl.dim(∧)=t.gl.dim(∧G).

退火温度对氧化镓薄膜及紫外探测器性能的影响

采用射频磁控溅射法在石英基底上制备Ga_(2)O_(3)薄膜,并在氩气气氛中控制不同的退火温度进行后退火,通过对样品的晶体结构、透射率、表面形貌和光学带隙等性质进行测试分析,发现退火工艺可以提升薄膜的结晶质量,但同时高温退火也容易使得薄膜中的氧元素逸出薄膜外形成氧空位,选取800℃退火后样品制备成金属-半导体-金属(metal-semiconductor-metal,MSM)型光电探测器件,并与未退火样品器件对比发现在1.1 V的反向偏压下,800℃的光暗电流比为1021.3、响应度为0.106 A/W、比探测率为1.61×10^(12)Jones,分别是未退火器件的7.5,195和38.3倍,外量子效率相较于未退火样品提升了51.6%,上升时间(0.19/0.48 s)相较于未退火样品(0.93/0.93 s)减小,下降时间(0.64/0.72 s)与未退火样品(0.45/0.49 s)相比有所增大,表明氧空位的增加可以减缓光生载流子的复合来达到延长载流子寿命的效果,最后详细分析了退火后氧空位的增多导致探测器性能参数提高的机理.

干涉角度显微测量提高光子相关法空气声声压测量精度研究

在光子相关法测量自由场空气声声压中,光束夹角的准确测量影响着测量声压结果。提出了采用显微放大成像方法,利用CCD测量干涉区条纹间距,从而得到更为精确的光束夹角。首先,通过仿真分析高斯光束干涉条纹间距均匀性对光束夹角测量的影响,优化了声场测量的光路结构;然后,使用标准分辨率板对CCD显微成像的放大倍率进行标定并实现了干涉角度测量;最后,构建了光子相关法自由场空气声声压测量的实验系统。实验结果表明,相比于测量光的空间传播距离等传统三角方法获得的光束夹角,该方法得到的光束夹角提高了空气声声压测量的精度。

基片温度对脉冲激光沉积ZnS:Co薄膜微结构及光学性质的影响研究

采用脉冲激光沉积技术在石英基片上制备了ZnS:Co薄膜,改变制备过程中石英基片的温度TS,研究了基片温度对薄膜微结构及光学特性的影响。随着基片温度的升高,薄膜的厚度减小,结晶质量得到提升,并朝着(111)方向择优生长。受量子限域效应的影响,薄膜的光学带隙在基片温度为TS=25℃时最大为3.83 eV,光学带隙先随基片温度增大而减小,并在基片温度为400℃时取得最小值3.5 eV,此后随基片温度增大而增大。此外,薄膜的折射率、消光系数、介电系数等光学参数随基片温度升高均有增大趋势。实验表明在基片温度达到400℃以上时,可以获得综合性能较好的微晶薄膜。

稳定的金-银与金-铜合金纳米颗粒的制备和应用

金、银、铜等贵金属的纳米结构都具有表面等离激元共振效应,在表面增强拉曼散射(SERS)和光催化领域具有重要的应用价值。合金纳米颗粒有望兼具多种金属的优点,赋予金属纳米颗粒更多优良品质。本论文中,我们通过改进“Brust”法,成功合成了直径1~5 nm的Au_(1)Ag_(1)和Au_(1)Cu_(1)合金纳米颗粒,所制备的合金纳米颗粒在空气中具有良好的稳定性,并在有机溶剂中具有良好的溶解性。利用溶液法组装的Au_(1)Ag_(1)和Au_(1)Cu_(1)合金SERS基底,分别对532 nm和785 nm的激发光表现出良好SERS性能。相同条件下,Au_(1)Ag_(1)基底比Au基底对R6G探针分子的拉曼信号强度提高了2~4倍,表现出良好的SERS活性。Au_(1)Cu_(1)合金基底则比Au_(1)Ag_(1)合金和Au基底表现出更强的光催化活性,在光催化领域表现出潜在的应用价值。

基于筛选排序算法的多均值变点估计

多均值变点估计问题是目前统计界的一个热点问题。文献中已有多种算法处理该问题,其中筛选排序算法(Screening and Ranking algorithm,SaRa)由于具有快速检测和高精度的特点而被广泛关注。值得注意的是,该算法在筛选步骤的阈值选取倾向于保守,其主要原因是SaRa算法中方差参数采用了分段方法进行估计。本文的主要目的是改进多均值变点估计的SaRa算法。首先,运用局部多项式结合交叉验证方法给出了误差标准差的一个全局估计,并将其应用于初筛变点步骤中。然后,通过对候选变点的局部诊断函数值进行排序,进而结合MBIC准则得到了最终的变点估计。数值模拟结果显示了本文所提出的改进的SaRa算法在变点的数目及位置的估计准确率均高于现有的方法。最后,将该方法应用于深圳市车流量实际数据,通过分析该区域的工作日及非工作日变点分布特点,可为交管部门和出行人群提供参考建议。

压强对脉冲激光沉积ZnSe:Co薄膜性质的影响研究

采用脉冲激光沉积技术在真空腔中制备了ZnSe:Co薄膜。研究了沉积压强对等离子体羽辉传播、薄膜表面形貌,微结构以及光学性质的影响。结果表明,随着压强的增大,等离子体羽辉在空间的传播距离减小,薄膜沉积方式由溅射式沉积转变为吸附式沉积,薄膜的结晶质量得到大幅提升。此外,薄膜的光学带隙随压强的增大而减小,低压条件下制备的薄膜具有较大的带隙值,这与量子限域效应有关。当压强增大到10 Pa时,得到了沿(111)方向择优生长且结晶质量优秀的微晶薄膜。