第1届欧洲物理奥林匹克竞赛实验试题为发光二极管.试题利用万用表、热敏电阻和自组的简易压力计等作为测量工具,设计实验并测量发光二极管的伏安特性、串联寄生电阻、发光效率和光功率极大值.本文详细介绍了实验试题的命题及其解答,并简单分析了命题背景和参赛选手的答题情况.命题基于发光二极管在不同温度下的光电特征,可作为基础物理实验中发光二极管相关实验的拓展.
第3届欧洲物理奥林匹克竞赛的实验试题为无线电波的传输,试题利用 1 组无线电波发射器与接收器,探讨了等厚干涉、介质对波的吸收、波导中波的衰减、介质的折射率和倏逝波等物理现象.本文介绍了该实验试题内容和详细的解答.实验试题设计新颖,可开设为电磁波的综合性实验.
以E-STEAM为标准,构建了完备的课题研究案例.以课堂中常见的电子显示屏反光问题为研究对象,通过3D打印、电路设计、照度测量和光路分析等手段复原真实反光场景,促使学生建立模型、提出方案和解决问题.该问题能够契合"光的偏振性"的拓展学习,在对该问题进行课题研究的过程中,教师能够引导学生理解、分析和解决问题,有助于提高学生的项目引导式思维能力.
将获得诺贝尔奖的测量放射性物质辐射强度实验的理论知识、实验方法与虚拟仿真技术进行融合,设计了融入科学研究方法的虚拟仿真综合实验教学项目.通过构建全过程、多环节和沉浸式的在线实验教学环境,学生可以应用比较测量法等,掌握获得微小电荷量与饱和电流的实验方法,加深对放射性物质辐射强度测量原理的理解,体验科学发现的历程.
半导体浮栅存储器在半导体存储器乃至整个数据存储行业都占据着较大的市场份额,目前在计算机、便携式设备存储器等领域都有广泛应用.随着存储器件进一步小型化和集成化,在未来需要新材料和新结构对浮栅存储器进行革新以延续摩尔定律的发展.具有原子级厚度的二维层状半导体材料具有优异的电学性能和稳定性,被广泛认为是极具潜力的新型半导体材料之一,可用于下一代半导体浮栅存储器.本文主要介绍近年来二维半导体材料在浮栅存储器领域的应用,并对其未来的发展趋势进行了思考和展望.
光电效应的伏安特性曲线的定性关系已经十分清楚,但是其理论公式却很少被提及.考虑光子和电子的相互作用以及电子在真空中的运动情况,分析了光电效应的光电流的形成过程.通过计算电子在阳极的分布函数,得到了光电流的解析表达式.利用优化算法调节光电流解析表达式中的未知参量获得光电流的数值计算结果,并对光电流实验数据进行拟合,数值计算结果与光电流的伏安特性曲线实验数据较为吻合.
采用了利用双凸透镜构建透镜组实现近轴光学隐身的方法,通过改变双凸透镜的数目、焦距、口径等参量,讨论了透镜组要实现近轴光学隐身所应满足的条件.建立了四薄透镜光学隐身系统、三薄透镜光学隐身系统、双厚透镜光学隐身系统3种理论模型,并将实验探究与理论研究相结合,验证了理论模型的正确性.
分析了麦克斯韦滚摆在下降过程中的势能、平动动能与转动动能的相互转化,总机械能保持守恒;进一步分析了麦克斯韦滚摆运动到最低点的力学过程,麦克斯韦滚摆质心速度反向的原因,并给出了悬线最大张力的近似公式.
针对激光雷达在实验教学领域应用较少、相关实验教学方案有待完善的问题,研制了以激光雷达、红外相机、多场景模拟板及三维调节平台为核心部件的激光雷达原理演示实验装置.围绕装置设计了激光测距实验、物体形状识别实验和材料反射率测量实验3个功能性实验,分析采集获取的数据以评价激光雷达的性能.通过运动目标物轨迹追踪实验和利用点云图实现人体三维建模实验2个拓展性实验,让学生了解激光雷达的具体应用,加深学生对该仪器的认识.
超材料可以通过表面等离激元调控光的振幅、相位等特性,实现光的近场增强.通过改变材料的结构单元、排列方式等,可以设计材料的电磁参量,从而提高吸收率.基于表面等离激元谐振的电磁响应特性以及吸收光的机制,选择金属—介质—金属的3层结构设计了圆盘和环形微纳结构谐振吸收器.通过优化圆盘谐振吸收器的半径和介质层的厚度,在8～14 μm的最高平均吸收率达到91.41％;通过优化环形谐振吸收器的内外半径和介质层的厚度,在8～14 µm的平均吸收率达到93.33％.实验结果表明:设计的圆盘和环形谐振吸收器8～14μm的红外波段实现近完美的光吸收,不同的入射光波长可以激发传播型表面等离激元或者局域等离激元谐振.
当具有晶格失配或小扭转角的2个或多个原子薄层垂直堆叠时,层间的原子排列呈现周期性变化,形成新型的平面图案,即莫尔超晶格.莫尔超晶格在范德华异质结中为相关电子态的工程设计提供了通用而强大的平台,从而涌现出大量的莫尔量子现象,例如非常规超导、相关绝缘体态、拓扑相和莫尔激子等.近年来,科研人员对扭角石墨烯和扭角过渡金属硫族化物(TMD)形成的莫尔超晶格的研究最为广泛.本文介绍了扭角石墨烯和TMD莫尔超晶格中的莫尔特性,并讨论了 TMD莫尔超晶格实验中发现的新物理现象,如莫尔激子、莫尔声子和相关电子态.最后,展望了莫尔超晶格在未来研究方向面临的挑战.相信莫尔超晶格的进一步发展可以为强相关系统的量子控制提供新的思路,推动莫尔物理的发展.
设计并制作了多模态声驻波演示仪,采用自动移动扫描装置采集圆形驻波管中的声场信号,利用Audition音频分析软件实时显示具有驻波形态的时域波形,通过蓝牙音箱实时监听驻波管内部的声音,并由Audition基于短时傅里叶变换的频谱图观察驻波场中的谐波.同时,还探究了驻波管长度、管径、边界条件、扫描速度及麦克风尺寸等对驻波场的形成和测量的影响.
利用光谱分析技术可对无色水溶液pH值进行测定,该方法能够快速便捷地检测溶液中氢离子浓度.首先通过酸碱指示剂对待测溶液进行显色处理,再利用光谱仪对其各波长吸光度进行测量.在指示剂变色范围内,吸收光谱曲线将出现多个吸收峰,通过测量各吸收峰峰值,并计算其比值,结合朗伯-比尔定律代入由定标溶液确定的比值函数曲线,得到待测溶液的pH值.由于采用比值计算,该方法操作简便易行,无须要求每次滴入指示剂的量相同,可在实验室中对溶液样本快速地进行pH值测量,且结果误差小于0.05.
为了以刚体转动为背景引导学生学习耦合振动规律,设计了力学上类似于固定端/弹簧/质块/弹簧/质块/弹簧/固定端系统的对称双扭摆实验.应用拉格朗日方程推导了对称双扭摆耦合转动的简正模式和简正频率,通过控制初始条件观测了对称简正模、反对称简正模和拍等特殊耦合转动现象.运用智能手机和Tracker软件测量了转角的时间演化数据,并通过数据拟合验证了理论预期.
铜锌锡硫硒薄膜太阳能电池是低成本、有潜力的新型太阳能电池,其吸收层的质量决定太阳能电池器件的性能.溶液法是通过将预制膜硒化热处理来获得铜锌锡硫硒太阳能电池的吸收层材料,其中硒化处理是得到高质量吸收层的重要手段.为得到高质量吸收层,对硒化条件进行设计,分别从硒化程序组成(一步/两步硒化)、硒化温度及硒化时间 3 个方面探究了硒化过程对铜锌锡硫硒吸收层的相纯度、微观形貌及光电转换性能的影响.利用最优硒化参量制备电池器件,获得了 5.72%的光电转换效率.
打破衍射极限实现超分辨率聚焦是声学成像和检测领域重要的追求目标之一.基于声学人工结构的超透镜对声波振幅的调制作用,分别介绍了 6 种声学人工透镜结构器件的设计及其聚焦成像性能,对其在突破衍射极限进而实现声调制的研究进展进行总结和比较.多带菲涅耳型声学人工透镜和锐边孔径声学人工透镜的结构简单、厚度薄且易于加工,均可以在远场打破衍射极限并实现超分辨聚焦.利用多带菲涅耳型人工透镜所获得的焦斑更小,但旁瓣强度大且靠近主瓣;锐边孔径声学人工透镜所获得的焦斑强度大且远离旁瓣.最后讨论了声人工透镜的潜在应用场景,并展望了声学人工透镜的未来发展趋势.
当几支蜡烛相互靠近时,由于烛火附近空气流动的状态发生变化,产生涡旋,火焰产生周期性振荡.2 组振荡器由接近逐渐远离,随着距离的增大,逐步产生同相振荡、反相振荡和振幅死亡.通过纹影装置直接验证了涡旋是振荡器火焰产生振荡的原因,通过遍历蜡烛火焰二值图的方式得到了火焰面积与时间的图像,对其进行快速傅里叶变换后得到振荡器的振荡频率,并以此研究振荡器的振荡情况与距离的关系.
在高等教育数字化大背景下,从课程微观层面开展了结合数字化技术实现定量演示实验数字化实践.依托"慕课西行"计划,组建粤-疆虚拟教研室,定制开发兼容多镜头实景互动的奕课堂混合式教学平台;建设数字化实验项目,在中山大学-喀什大学同步课堂上使用,实现了实验的数字化教学和同步课堂课定量分析的功能.结合互联网和大数据技术,为专业课数字化教学提供新的可参考案例.
依据磁光克尔效应原理,通过精确计算光路成像,设计并搭建了小型磁光克尔显微镜Triple-M.该设备采用T型光路和笼式结构,对物镜、光源、相机和偏振元件等器件进行封装.利用该显微镜可观察微观磁信息,研究磁畴结构、磁畴演化过程等.该设备体积小、成本低,适用于科学研究、大学实验演示以及磁性材料微观结构的科普等领域.
量子结构材料与技术在前沿科学领域的应用日益广泛,量子化能级的探测与调控具有重要的教学与科研意义.本文设计搭建基于表面光电压效应的量子化能级测量装置,控制步进电机带动闪耀光栅旋转,将氙灯的复色光分解为单色光,并照射到InGaN/GaN 量子阱上,采集光电压信号得到其表面光电压扫描谱线,并结合光学偏振片、磁铁与控温装置等实现量子能级、自旋能级的探测以及能级的温度调控.
