2011南师大物理学与高新技术作业题

南京师范大学 物理学与高新技术作业 学院：数科院 姓名：侯娟 学号：06080239 一、简答题 1. 物理学是技术的基础。在近代物理学研究成果的基础上，产生了一系列的高新技术学 术领域和产业，你所了解的有哪些？ 答：通信技术与产业、激光技术与产业、电子技术与产业、光子技术与产业、计算机技 术与产业等等。 2. 自然科学的研究对象是什么？ 答：自然科学是研究自然界的物质形态、结构、性质和运动规律的科学。科学是研究 自然界不同事物的运动、变化和发展的专门知识，有着巨大的理论指导意义，为技术的发 展提供理论和依据。 3. 技术的涵义是什么？ 答：技术是人类在利用自然、改造自然,为人类实现社会需要，促进社会发展而创造和 发展起来的各种活动方式、手段、方法和技能的总和。 4. 物理学的研究对象是什么？ 答：物理学是研究物质的最基本、最普遍的运动形式以及物质的基本结构的科学。物 理学研究的内容极其广泛，其空间尺度从亚核粒子到浩瀚的宇宙，其包含的时间从宇宙诞 生到无尽的未来。 5. 物理学中常用的两种分析方法是什么？ 物理学中常用的两种分析方法是定性分析法和定量分析法，定性分析法是指判断性的分 析，如判断某种因素是否存在，判断某种事物有何性质等；定量分析法是对事物作数量上 的分析。从定性到定量，这是物理学发展的必然。 6. 物理实验创新的内容包括那些？ 物理实验创新包括：实验设计思想创新；实验仪器设备创新；实验研究方法创新；实验设 计思想创新。其中，实验设计思想创新是关键。 7. 1877 年，氧气被液化，液化点的温度是多少？氮气被液化，液化点的温度是多少？ 1898 年，杜瓦（J. Dewar ) 第一次将氢气液化，液化点的温度是多少？1908 年，荷兰，莱 登实验室的卡末林昂纳斯（Kamer lingh Onnes） ，第一次将氦气液化，液化点的温度是多 少？ 答：1877 年，氧气被液化，液化点：-183C，绝对温度：90K 。氮气被液化，液化 点： -196C，绝对温度：77K。1898 年，杜瓦（ J. Dewar ) 第一次将氢气液化，液化点： -253C，绝对温度：20K。1908 年，荷兰，莱登实验室的卡末林昂纳斯（Kamer lingh Onnes） ，第一次将氦气液化，液化点： -268.75C，绝对温度：4.25K。 8. 超导体的基本物理性质中零电阻效应指的是什么？超导体的迈斯纳效应指的是什么？ 答：超导体的基本物理性质中零电阻效应是指：（1）超导体的临界温度 Tc。电阻突 然消失的温度被称为超导体的临界温度。 （2）超导体的临界磁场。超导电性可以被外加磁 场所破坏，处于温度为 T（TT c）的超导体，当外磁场超过某一数值 Hc（T）的时候，超 导电性也被破坏了，H c（ T）称作临界磁场。 （3）临界电流 Ic（T ） 。在不加磁场的情况下， 在超导体中通过足够强的电流也将会破坏超导电性，破坏超导电性的电流称为临界电流。 超导体的迈斯纳效应是指：只要处在超导态，超导体内的磁感应强度总是等于零（完全抗 磁性） 。 9. 迈斯纳效应的意义是什么？ 答：迈斯纳效应的意义在于：否定了超导体是理想导体的概念，并指明超导态是一个 热力学平衡态，与怎样进入超导态的途径无关，从物理上进一步认识到超导电性是一种宏 观的量子现象。仅从超导体的零电阻现象出发得不到迈斯纳效应，同样用迈斯纳效应也不 能描述零电阻现象。 10. 库柏（L. N. Cooper ）电子对指的是什么？ 答：库柏（L. N. Cooper）电子对：电子间交换声子能够产生吸引作用，当这种间接 吸引作用超过库伦排斥作用时，电子间就有净的吸引作用。电子间存在净的吸引作用时， 费米面附近的两个电子将形成束缚的电子对的状态，它的能量比两个独立的电子的总能量 低，这种电子对状态称为库柏电子对。 11. 世界上第一台红宝石激光器是何时研制成功的？我国第一台激光器是何时研制成功的？ 答：1954 年，美国哥伦比亚大学的汤斯（C. H. Townes）研制成受激辐射微波放大器。 1957 年和 1958 年，汤斯提出了激光器的工作原理和设计方案。1960 年 4 月（4 月底 5 月 初） ，美国休斯飞机公司实验室的梅曼(T. H. Maiman)研制成世界上第一台红宝石激光器。 我国第一台激光器于 1961 年 9 月研制成功。 12. 激光与普通光相比，具有那些特点？ 答：激光与普通光相比，具有方向性、单色性和相干性好而亮度极强等特点。 13. 自发辐射的特点是什么？ 答：自发辐射：原子在无外界刺激的情况下，电子由高能级跃迁至低能级产生光辐射。 特点：辐射时发出的光是彼此独立的，各原子发出的光的频率，振动方向，相位均不相同， 不是相干光。 14. 受激辐射的特点是什么？ 答：受激辐射：原子中的电子处于高能级时，若有外来光子，其能量为高能级与低能级 的能量差，则原子中处于高能级的电子将会在外来光子的诱发下跃迁至低能级，发出与外 来光子一样特征的光子。受激辐射特点：（1）受激辐射时发出的光子与外来光子具有相 同的频率、振动方向、相位，是相干光。 （2）一个外来光子可以引起大量原子产生受激辐 射，产生光放大。 （3）只有能量 h =E2 -E1 的光子才能引起原子由 E2 向 E1 跃迁产生光 辐射。 15. 锁模技术指的是什么？ . 答：锁模是使用适当方法，让激光器中发生振荡的各模之间建立稳定的相位关系，彼 此发生“干涉” ，形成脉冲宽度极窄、功率极高的激光技术。 物理学与高新技术 （2011 年 3 月）作业题 第 3 页 共 4 页 16. 弦理论中将“弦”看作什么? 答：弦理论将“弦”看作是物质组成的最基本单元，所有的粒子如电子、光子、中微子 和夸克都是弦的不同振动激发态。弦理论是现在最有希望将自然界的基本粒子和引力等四 种相互作用力统一起来的理论。 弦理论将从根本上改变对物质结构、空间和时间的认识。丘成桐认为，弦理论就是将 “弦”看作是物质组成的最基本单元，所有的粒子如电子、光子、中微子和夸克都是弦的 不同振动激发态。 弦的运动是非常复杂的，以至于三维空间已经无法容纳它的运动轨迹，必须有高达十 维的空间才能满足它的运动，就像人的运动复杂到无法在二维平面中完成，而必须在三维 空间中完成一样。 17. 晶体管是何时发明的？集成电路是何时发明的？ 答：晶体管的发明是 20 世纪物理学发展的重要事件，半个世纪以末，以晶体管的发 明为契机开创了微电子时代并导致信息革命的出现，鉴于晶体管发明的重要意义，晶体管 发明的时间，得到了人们的关注。国内有的学者认为，1947 年 12 月 23 日，美国贝尔实 验室的科学家丁巴丁和 WH,布拉顿发明了点接触晶体管。 18. 硅集成电路的发展遵循摩尔定律 ，所谓摩尔定律指的是什么？ 答：硅集成电路的发展遵循摩尔定律 ，所谓摩尔定律是指每 18 个月集成电路的 集成度增加一倍，而它的价格要降低一半。 19. 半导体激光器、室温下连续工作的半导体激光器、光通信中使用的半导体激光器何时 研制成功并应用？ . 答：1962 年，研制出半导体激光器。1970 年，室温下连续工作的半导体激光器问世。 1980 年，半导体激光器在光通信和光盘技术得到大量应用。 20. 简述我国半导体技术发展的历史。 答： 我国半导体技术发展的历史：1958 年，研制出第一个晶体管；1960 年，开始生产单 晶硅；1965 年，研制出第一块集成电路；1970 年代，开始自行研制分子束外延（MBE） 和金属有机化合物气相沉积（MOCVD）设备；1980 年代中后期，MBE 和 MOCVD 等技 术有较大发展，生长出具有国际水平的量子阱、超晶格材料，研制出高电子迁移率晶体管 （HEMT） 、p-HEMT、量子阱激光器（QWL ） 、光双稳器件（SEED） 、量子阱红外探测器， 达到国际水平。 21. 半导体的发光性质由它们的什么特性决定？ 答：. 半导体发光性质由它们的能带特性决定。微电子器件常用的材料硅和锗就不能发光， 不能用作光电子材料。硅和锗的能带是间接能带，电子从导带通过发射光跃迁回价带的概 率非常小，只能通过其他方式，如同时发射一个声子跃迁回价带。其他的 IIIV 族化 合物，如 GaAs、InP 等的能带大部分是直接能带，电子从导带跃迁回价带能发光，因此被 广泛应用于发光管和半导体激光器。 22. 光生伏特效应和光电导效应指的是什么？ 答： 在光照射下，使 pn 结产生电动势的现象称为光生伏特效应。固体受光照而改变其电 导率的现象称为光电导效应。 23. 光检测器的作用是什么？光纤通信中最常用的光检测器是半导体光电二极管。光电二 极管是工作在反向偏压下。反向偏压的作用是什么？ 答：. 光检测器的作用是将光纤输出的微弱光信号转变为电信号，它是影响光接收机性能 的重要器件。光纤通信中最常用的光检测器是半导体光电二极管。光电二极管是工作在反 向偏压下。反向偏压增加了耗尽区的宽度，使光生载流子更多地在耗尽区内产生，提高了 二极管的光电转换效率。反向偏压也增强了耗尽区内的电场，加快了光生载流子的漂移速 度，有利于加快光电二极管的响应时间。 24. 雪崩光电二极管（APD）的主要特点是什么？ 答： 雪崩光电二极管（APD）是一种光电转换器件，主要特点是具有内部电流增益，可 以用于接收微弱的光信号，获得较大的输出光电流。 25. 电荷耦合器件（Charge Coupled Device，简称 CCD）是何年发明的？ 答：图像传感器的历史可以说非常悠久。早在 1873 年，科学家约瑟美（Joseph May）及 伟洛比史密夫（Willoughby Smith）就发现了硒元素结晶体感光后能产生电流，这是电子 影像发展的开始。以后陆续有组织机构和学者研究电子影像，发明了几种不同类型的图像 传感器。其中重要的发明有 20 世纪 50 年代诞生的光学倍增管（Photo Multiplier Tube，简 称 PMT）和 1969 年出现的电荷耦合器件（ Charge Coupled Device，简称 CCD） 。 26. CCD 与 CMOS 是数码相机常用的两种感光器件，二者各有千秋，说出各自的特点。 答： CCD 与 CMOS 是数码相机常用的两种感光器件，二者并无好坏之分。CCD 成本高， 费电，但拍摄画质较为细腻；CMOS 成本低，速度快，省电，但易产生噪声。 二、问答题 1. 结合本课程谈谈你对物理学与高新技术关系的认识。 答：通过对本课程的学习，我深刻认识到高新技术的发展与物理学是息息相关的。一个国 家的高新技术的发展乃至高科技军事武器装备的应用都与这个国家的在物理和数学等等领 域的成果有着直接的联系。高科技军事武器就是物理学知识的实际应用。尤其是在通信技 术与产业、激光技术与产业、电子技术与产业、光子技术与产业、计算机技术与产业等等。 物理学的发展，促进了科学技术的进步。现代物理学更成为高新技术的基础。可以说社会 的每一次巨大的进步都是在物理学发展的基础上完成的。没有物理学的发展就没有人类社 会和文明的巨大进步。没有物理学作为奠基就不会有高新技术的进步。 2. 学习了本课程后，结合实例谈谈对高新技术的产生、发展与应用的看法。 答：高新技术在光子学的方面的体现。光 子 学 也 可 称 光 电 子 学 ， 它 是 研 究 以 光 子 作 为 信 息 载 体 和 能 量 载 体 的 科 学 ， 主 要 研 究 光 子 是 如 何 产 生 及 其 运 动 和 转 化 的 规 律 。 所 谓 光 子 技 术 ， 主 要 是 研 究 光 子 的 产 生 、 传 输 、 控 制 和 探 测 的 科 学 技 术 。 现 在 ， 光 子 学 和 光 子 技 术 在 信 息 、 能 源 、 材 料 、 航 空 航 天 、 生 命 科 学 和 环 境 科 学 技 术 中 的 广 泛 应 用 ， 必 将 促 进 光 子 产 业 的 迅 猛 发 展 。 一 些 国 家 通 过 高 新 技 术 在 光 子 学 的 应 用 把 大 量 资 金 投 入 光 子 学 和 光 子 技 术 的 研 究 和 开 发 ， 许 多 以 光 子 学 命 名 的 研 究 中 心 、 实 验 室 和 公 司 如 雨 后 春 笋 般 地 建 立 起 来 。 可 以 毫 不 夸 张 地 说 ， 一