从点电荷到场的升华——大学物理中关于电磁学教学的思考

电磁学是工科大学物理课程的重要内容之一,其中如麦克斯韦方程组等诸多抽象公式对于初学大学物理的一年级新生有一定的难度.本文围绕“场”这一核心内容,通过“实验规律→场的性质→场与物质的相互作用”这条线索将整个电磁学的内容贯穿起来,讨论如何实现从点电荷到场的升华,最终得到关于场的统一理论.并以变速运动点电荷为例,说明场描述下的麦克斯韦方程组的解如何超越静电场的高斯定理,以问题为导向,引导学生在探究和思考中深入理解电磁学的核心内容.

应用物理中的几类逆问题

1.1 什么是逆问题 两个问题,若其中的一个问题的前提正好是或者部分是另一个问题的结论,则这两个问题是“互逆的”。 例:乘方和开方是互逆的。 乘方和求对数也是互逆的。通常由于历史的原因,其中一个问题研究得早一些发展得成熟些,就称为正问题;另一个发展得晚一些慢一些,就称为逆问题,或反问题,或反演问题。一般讲,一个正问题可以有多个逆问题与之对应。例如,固体物理中经常提出一个正问题——一系列质点以某种确定方式通过无重量的线性弹簧构成一个系统,试确定该系统的频谱与本征振动模(图Ⅰ)

Laves-Co_(2)(HfTa)合金的相稳定性及热物性

基于第一性原理计算方法,在考虑磁效应的基础上,对不同温度下合金Co_(2)(HfTa)中的稳定结构、电子性质和热力学性质展开了研究.通过第一性原理计算形成能、弹性性质及声子色散关系,结果表明合金Co_(2)(Hf_(x)Ta_(1-x))在x≤0.75时基态是C36,当x>0.75时基态是C14.这一发现提示了合金成分对其基态结构的影响,并为合金的稳定性提供了重要线索.值得注意的是,考虑了振动熵和电子熵的贡献后,Co_(2)Hf相对稳定的结构变为C36,Co_(2)Ta变为C14,这表明温度会对合金结构稳定性的影响.Co_(2)(Hf_(x)Ta_(1-x))合金在弹性方面呈现出本征脆性.热力学分析表明其在高温下热容趋于稳定,德拜温度近似为常数,振动熵随温度递增且与压强负相关.电子态密度分析揭示了Co_(2)(HfTa)合金三个结构的相稳定性.

应用于环保监测的高精度数据采集系统的设计

在现实生产、生活中,环境污染已成为人们关注的焦点,而污染的主要来源是空气微粒。空气微粒的大小直接影响到环境质量的好坏,因此对空气微粒的监测显得尤为重要。针对环境监测的要求设计了数据采集系统,对空气质量是否达标进行检验。与传统的数据采集系统相比,该设计具有精度高、性能可靠、抗干扰能力强等特点,提高了监测标准。

物理教学中“小论文”的开展

大学物理教学中“小论文”

关于可调压缩比斯特林热机的物理演示实验

本文设计了一种可调节压缩比的斯特林热机装置,可实现斯特林热机的压缩比(最大体积与最小体积的比值)动态调节以及压强(p)-体积(V)曲线的实时监测.阐述了轨尺在双缸双活塞斯特林热机中实现动态调节的机理,编写了采集热机工作过程中压强和体积的Labview程序.通过调节轨尺完成压缩比的动态调节,演示了斯特林热机在不同压缩比条件下的工作状态,分析了压缩比影响斯特林热机性质的机理.该装置制作简单,可使用酒精灯作为热源,用于物理演示实验教学.

碰撞问题中的动量和角动量守恒辨析

本文以刚体力学中最典型的物体与直杆的碰撞问题为例,从分析受力的角度,对动量守恒和角动量守恒定律的应用条件进行了讨论,以加深对两个守恒定律的理解,希望对教师教学或学生自学起到一定的借鉴作用.

低固溶镁-铝和铝-镁合金高压熔点的第一性原理模拟

以往虽然针对镁(Mg)、铝(Al)单质的高压熔化曲线开展了较多研究,但是对于Mg-Al和Al-Mg合金的高压熔化却鲜有报道。本工作结合固溶无序结构建模的相似原子环境(SAE)方法,以及熔点模拟的固液共存法,实现了低固溶合金高压熔点的第一性原理分子动力学模拟。在此基础上初步研究了2种低固溶Mg-Al和Al-Mg合金的高压熔点,这2种合金分别是AZ31B和LF6Al。计算发现,高压下LF6Al的熔化温度略低于Al的熔化温度,而AZ31B的熔化温度非常接近Mg的熔化温度。为后续深入研究组分变化对Mg-Al和Al-Mg合金高压熔点的影响规律奠定了基础。

基于量子化学计算的谷氨酰胺太赫兹吸收谱模拟

利用量子化学计算方法模拟物质的太赫兹吸收谱,可以为目标物质的太赫兹吸收特征匹配分子振动模式,对深刻理解谱的形成机理十分必要。模拟结果的可靠性,主要取决于目标物质初始构型的搭建和振动模式计算方法的选择。首先利用太赫兹时域光谱技术获取了谷氨酰胺固态样品的太赫兹吸收谱,为了在理论模拟过程中体现考虑分子间作用的程度,构建了三种常用于有机物太赫兹吸收谱模拟的谷氨酰胺初始构型,单分子、二聚体、晶胞。使用量子化学计算程序基于密度泛函理论对三种初始构型进行了结构优化和振动模式计算。将计算结果通过洛伦兹线型函数拟合为吸收谱与实验吸收谱进行对比发现,二聚体构型的模拟吸收谱从吸收峰个数上优于单分子构型,在此基础上,晶胞构型模拟结果从吸收峰峰位上又较二聚体构型有了明显的改进,随着初始构型考虑分子间作用的程度提高模拟结果逐步逼近实验吸收谱。在得到了可靠的理论模拟吸收谱的基础上,成功对谷氨酰胺固态样品在0.3～2.6THz范围内的三个吸收峰匹配了晶胞内各分子的集体振动模式。研究表明,在固体样品的太赫兹吸收谱理论模拟中,在计算能力允许的情况下,应尽可能选择全面反映分子间作用力的晶胞构型作为计算的初始构型。

V系储氢合金及其合金化

概述了V系储氢合金的研究现状,涉及V系储氢合金的氢化物相结构、合金化元素及第二相对合金吸、放氢性能的影响:V系储氢合金随吸氢量的增加,氢化物结构发生bcc→bct→fcc转变,同时其稳定性呈降低趋势;合金元素通过改变V与H的亲和力以及氢化物的稳定性来影响合金的储氢性能;第二相的出现对合金电化学性能、吸放氢动力学有明显的影响作用。在上述分析的基础上,对V系bcc固溶体储氢合金今后的研究进行了展望。

金属丝弹性模量的测量方法研究

通过用纳米压入法和静态拉伸法对β-Ti丝、不锈钢丝以及3种NiTi丝进行弹性模量的测量。实验表明,纳米压入法弹性模量比静态拉伸法弹性模量大,并且材料的弹性模量越低,二者相差越大,其原因同试样的表面硬化层和尺寸效应有关。通过分析比较,建立了金属丝弹性模量的纳米压入法和静态拉伸法所得值之间的相关关系。

Fermi体系逆问题的一种新解法

利用加性Mobius级数反演方法,提出了解决Fermi体系逆问题的一类新方法;介绍了加性Mobius反演和一雏差分方程之间的联系。

Gauss整环上的二维AFT算法

利用整环上的Ｍｂｉｕｓ反演公式，给出了Ｇａｕｓｓ整环上的二维Ｆｏｕｒｉｅｒ系数的ＡＦＴ算法，其方法同样适用于小波级数的系数计算。

带电导体球表面处的电场强度

通过带电导体球阐述了面电荷所在处的电场强度并且对分别采用的面和壳物理模型 的结果进行了比较.

镍掺杂ZnO的半金属铁磁性质和光学性质的研究

采用基于局域密度泛函理论的第一原理平面波超软膺势法,研究了纯净ZnO和Ni掺杂ZnO后的能带结构、电子态密度以及光学性质,结果表明:Ni掺杂ZnO后存在自旋极化,体系表现出半金属铁磁性质,可以实现自旋极化载流子的注入,并且在可见光区和紫外光区(1.98 eV～5.61 eV)的吸收系数显著提高.

镍-钛合金弹性模量的测定

采用静态拉伸法和纳米压入法对具有伪弹性行为的镍-钛合金的弹性模量进行了研究。结果表明,镍-钛合金的弹性模量随其相组成的变化而变化,母相状态时的弹性模量为24.5 GPa,而马氏体相状态时的弹性模量为11.6 GPa。多次重复拉伸使其弹性模量降低并呈现非线性的变化趋势。纳米压入法测量镍-钛合金的弹性模量同拉伸法测量结果有较大的偏差,其原因同纳米压入法未考虑伪弹性变形行为有关。

稀土过渡金属CaCu_5型衍生化合物结构的原子级模拟

稀土过渡族金属化合物是功能材料研究领域的重要对象。回顾了CaCu_5衍生型稀土过渡金属化合物R_(n-m)M_(5n+2m)结构和变换关系的传统内容、含义,以及在应用中的有效性和局限性,随后从原子间相互作用势出发,通过能量最小化对5类二元本征结构SmFe_5,Sm_2Fe_(17)(H),Sm_2Fe_(17)(R),SmFe_(12)(t),Sm_3Fe_(29)的空间群及晶格参数进行了计算,并由此确定了这5类结构间的变换矩阵,与传统矩阵变换关系作了一一对照,分析了它们相近和相异的原因。最后,讨论第三元素Cr,Ti对Sm_3Fe_(29)结构的稳定作用,和对晶体几何参数及X光谱的影响,这都是传统矩阵变换反映不了的。

黑体辐射逆问题的新解法

黑体辐射逆问题指的是从所测得的黑体辐射能谱确定黑体的面温度分布。本文利用函数变换,把相应的积分方程化为卷积形式,从而可用Fourier变换给出解的明确表达式。由此不但可用快速Fourier变换(FFT)进行数值计算,而且免除了前人工作中所未解决的存在唯一性和收敛性问题。此种方法可用来解决许多物理上感兴趣的第一类Fredholm积分方程。

Ni_3Al中择优替位的第一原理势研究

从第一原理结合能曲线反演得到同种及异种原子间相互作用势,并以此对Ni_3Al中合金元素的择优替位行为进行了系统地研究。考虑长程作用,并利用对多个弛豫样本求平均的方法,对不同含量合金下的择优替位行为进行了定量计算。以不同组态下结合能的相对大小作为合金元素选择性替位的判据,计算结果与实验符合良好。对实验上尚不存在的一些合金元素的替位行为及表面、界面上部分元素的择优替位行为给出了理论预言。

锡掺杂铋系2212相超导体的晶体结构及莫高温变化行为

采用高温Ｘ射线折射、ＤＴＡ和ＴＧ等实验方法，研究了（ＢｉＳｎ（０．５）Ｐｂ（０．５））Ｓｒ２ＣａＣＵ２Ｏ（８＋δ）超导体在室温至７５０℃范围内的点阵常数和氧含量的变化行为，发现在３５０℃和４８０℃附近点阵常数有反常变化。