期末考核题目-物理学前沿期末考试试题(3)

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。