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地质科技通报 2024年第4期43卷 191-204页

作者：王超渠淼喻慧阳西北大学大陆动力学国家重点实验室西安710069 西北大学地质学系西安710069 西北大学马克思主义学院西安710069

地球是一种物质和能量结合的存在形式。地球及其他行星的形成和运作过程实际上是物质和能量状态的演化历史。研究物质的科学是物理和化学,描述物质自然规律的语言是数学,这属于热力学的研究范畴。从19世纪中叶开尔文利用热力学理论计算... 详细信息

地球是一种物质和能量结合的存在形式。地球及其他行星的形成和运作过程实际上是物质和能量状态的演化历史。研究物质的科学是物理和化学,描述物质自然规律的语言是数学,这属于热力学的研究范畴。从19世纪中叶开尔文利用热力学理论计算地球年龄开始,热力学在地球科学领域的应用已有100多年历史,它在阐释地球和行星演化过程的基本逻辑与规律方面发挥了核心作用,引起了固体地球科学发展史中的许多重要变革。近20年来,随着物理、化学和计算机科学的不断发展,经典热力学和非平衡热力学在地球物质科学中的应用进一步发展,成为地球物质研究的基本原理体系。通过研究地球物质的形成与演化条件来揭示地球结构、动力学和演化过程的地球热力学学科已经形成。未来地球热力学的发展需要与地球物理、地球化学理论和实验相结合,在热力学数据库发展的基础上,建立合适的热力学模型来解决实际的地球科学问题。另外,地球热力学的进一步发展需要与相应的课程教学相结合、加强热力学在地球科学中的课程建设是当前的一项重要任务。热力学是地球物理、地球化学、地质学等多学科交叉研究的纽带和桥梁。如何从热力学的视角认识地球及其演变过程将会是一个永恒课题。

关键词：地球物质科学热力学非平衡热力学地球系统科学

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几种拓扑材料的物性及其界面超导电性研究

几种拓扑材料的物性及其界面超导电性研究

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作者：朱文亮中国科学院大学(中国科学院物理研究所)

学位级别：博士

上世纪八十年代量子霍尔效应的发现掀起了凝聚态物理研究的新热潮。寻找和研究新的量子态成为了凝聚态物理研究的重要方向。随着对整数以及分数量子霍尔效应的不断研究,研究者们最终通过引入数学上拓扑的概念对这个新的量子态进行了解... 详细信息

上世纪八十年代量子霍尔效应的发现掀起了凝聚态物理研究的新热潮。寻找和研究新的量子态成为了凝聚态物理研究的重要方向。随着对整数以及分数量子霍尔效应的不断研究,研究者们最终通过引入数学上拓扑的概念对这个新的量子态进行了解释。随后,人们试图寻找在零场下具有量子霍尔效应特性的量子态。紧接着,通过理论计算、新材料制备以及各种测试手段证实存在这种类似于量子霍尔效应的新量子态,即拓扑绝缘体态。对拓扑绝缘体的研究使得人们认识到除了已有的物态分类标准之外,拓扑是一个可以对量子态分类的新标准。运用拓扑不变量可以将材料分为拓扑平庸和非平庸的材料（拓扑材料）。到目前为止,拓扑材料包括:拓扑绝缘体、拓扑半金属以及拓扑超导体。这些拓扑材料因其拓扑保护的非平庸的能带结构通常具有一些奇异的物理特性。例如,手性反常导致的负磁阻效应、低温强磁场下的电阻率上翘行为、极大磁电阻行为、拓扑非平庸的Berry相位、高的载流子迁移率、非常规的超导配对等。对这些材料的深入研究将有助于新型电子器件的发展,特别是有助于自旋电子器件和量子计算器件的研究和开发。在本论文中,我们分别系统的研究了ZrTe低温下的电学性质和磁学性质、各种金属薄膜在WC单晶表面诱导的界面超导电性以及金属Ag膜在外尔半金属TaAs单晶表面诱导的超导的超导电性。其中,WC和ZrTe被理论预言为异于二重简并的Weyl半金属和四重简并的Dirac半金属的具有三重简并点的拓扑半金属材料。WC是目前被实验所证实的三重简并点离费米能级最近的拓扑半金属材料。其是一个超硬材料,被广泛应用于高压设备中。我们通过磁控溅射的方法在WC的表面制备了各种磁性和非磁性薄膜诱导了界面超导。研究发现该超导可能具有非常规的超导电性。然而,ZrTe由于单晶难以制备且不易于角分辨光电子能谱的测试截至目前仍旧没有被细致的研究。这里我们制备了高质量的ZrTe单晶样品并进行了第一次较全面的输运实验和理论相结合的研究。TaAs是第一个被实验所证实的Weyl半金属材料。同样,我们采用磁控溅射的方法在TaAs单晶表面生长了金属Ag的薄膜诱导了超导电性。研究发现该界面超导可能具有拓扑性质。本论文包括以下四章:在第一章中,我们对拓扑材料的研究做了比较简要的介绍。其主要包括:人们将数学中拓扑的概念引入物理;根据拓扑将物理上的量子态进行新的分类以及实验研究。在第二章中,我们首次生长了ZrTe单晶样品并通过输运测试、磁性测量以及理论计算系统的研究了三重简并半金属ZrTe的物理特性。转角磁阻、霍尔和Sd H振荡测试表明ZrTe是一个具有复杂三维费米面的系统,其输运性质主要是由空穴型的载流子所主导。结合理论研究我们发现ZrTe中有四条能带穿过费米能级,其中两条是空穴型的,两条是电子型的。磁化率测试表明ZrTe具有很强的各项异性的磁性。在z轴方向是顺磁的,在xy面内沿着x轴和y轴是抗磁的。对于这个奇异的磁化率我们目前仍旧无法从实验和理论上得到合理的解释。研究ZrTe奇异的磁化率将来更加深入的理论和实验工作依然是非常有必要和有意义的。在第三章中,我们采用磁控溅射的方法在拓扑半金属WC的单晶表面制备了磁性和非磁性的薄膜,诱导了转变温度高达11.5 K的界面超导。通过软接触点接触测试技术我们对该界面超导的超导电性进行了探测和研究。研究发现该界面超导对磁性不敏感,表明其可能具有自旋三态配对的成分。我们认为金属膜和单晶表面间的耦合作用可能是超导出现的主要原因。然而,具体的超导机理还需要进一步的理论和实验工作来解决。在第四章中,我们同样采用磁控溅射的方法在Weyl半金属TaAs的单晶表面制备了金属Ag的薄膜,实现了Tc高达3.15 K的界面超导。通过对样品尺寸加工处理我们得到了电阻较大的TaAs样品并进行了四电极测试。由于Ag膜与单晶表面的耦合不好导致电阻并没有到零。同时,通过软接触点接触测试我们发现所得的点接触谱是具有两个电导dip的零偏压电导峰。我们认为该界面超导可能具有拓扑超导的特性。该工作以及WC的工作为拓扑超导的研究以及其在拓扑量子计算上的应用提供了新的途径。在本文的最后一部分中,我们对以上研究做了总结和展望。总结了研究成果和意义,展望了该工作今后的进一步深入研究。

关键词：拓扑绝缘体拓扑半金属界面超导拓扑超导拓扑材料

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结合微分方程的泵控缸液压变速器转速控制

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机械设计与制造 2025年第1期407卷 166-170页

作者：贾文燕田苗青郑州西亚斯学院计算机与软件工程学院河南新郑451150 郑州轻工业大学河南郑州450000

当液压缸承受外部力矩突然增加时,泵控缸液压变速器调速系统的输出转矩会超过液压缸承受的最大负荷,产生重载或过载情况,破坏系统的稳定性,导致控制效果不佳。为了提高系统在极端负载下的响应速度和精度,引入数学方程式,提出一种新的泵... 详细信息

当液压缸承受外部力矩突然增加时,泵控缸液压变速器调速系统的输出转矩会超过液压缸承受的最大负荷,产生重载或过载情况,破坏系统的稳定性,导致控制效果不佳。为了提高系统在极端负载下的响应速度和精度,引入数学方程式,提出一种新的泵控缸液压变速器转速控制方法。计算开关磁阻电动机、液压缸和液控单向阀、液压缸的管路等参数,建立泵控缸液压无级变速器扰动函数关系。利用微分方程建立液压变速器调速约束条件,提高重载或过载情况下的泵控缸液压调速系统可靠性。在建立相电流连续方程的基础上,对相磁链、相转矩进行联合调速控制,实现泵控缸液压调速系统的稳定运行。物理实验结果表明,随着时间延长相电流、相磁链、相转矩均呈现逐渐下降趋势。模拟实验结果表明,所提方法在极端负载下的泵控缸液压变速器调速系统响应速度较快且电流与流量输出性能较高。由此证明,该方法泵控缸液压变速器转速控制效果较好,具有较高的实际应用价值。

关键词：泵控缸微分方程相电流相磁链相转矩

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天文学通识课程中三体问题的教学方法研究

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测绘地理信息 2023年第6期48卷 142-146页

作者：罗佳霍学深汪海洪武汉大学测绘学院湖北武汉430079 地球空间环境与大地测量教育部重点实验室湖北武汉430079

研究作为质点的三个天体在万有引力作用下的运动,即所谓的“三体问题”是天文学及相关物理学和数学等领域的重要科学问题。因为三体系统是一个不稳定系统,而且三体问题在数学上没有解析解;所以三体问题解的其他数学物理表达及高精度数... 详细信息

研究作为质点的三个天体在万有引力作用下的运动,即所谓的“三体问题”是天文学及相关物理学和数学等领域的重要科学问题。因为三体系统是一个不稳定系统,而且三体问题在数学上没有解析解;所以三体问题解的其他数学物理表达及高精度数值分析中会涉及复杂的理论公式和方法。本文针对天文学通识课上,普通听众对于常规理论化的三体问题讲解很难理解甚至觉得索然无味的问题,研发了一套三体运动可视化软件。软件可以对经典和最新的三体问题特解进行可视化呈现,也可根据用户设定的三体参数进行可视化展示。该可视化软件已应用于天文学通识课程的教学,取得了较好的效果。相关软件和教学成果可为涉及三体问题教学的通识课程提供参考。

关键词：三体问题计算机可视化天文学通识课程 OpenGL

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拉盖尔-高斯光调控超冷原子自旋织构的研究

拉盖尔-高斯光调控超冷原子自旋织构的研究

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作者：沈星中国科学院大学(中国科学院武汉物理与数学研究所)

学位级别：硕士

近年来,超冷原子气体中基于双光子拉曼过程调控原子内态布居及其与外部运动自由度间相干耦合的研究得到了蓬勃的发展。利用一对同向传播的携带不同轨道角动量的拉盖尔-高斯光驱动超精细磁子能级间的跃迁可以实现轨道角动量从光场向原子... 详细信息

近年来,超冷原子气体中基于双光子拉曼过程调控原子内态布居及其与外部运动自由度间相干耦合的研究得到了蓬勃的发展。利用一对同向传播的携带不同轨道角动量的拉盖尔-高斯光驱动超精细磁子能级间的跃迁可以实现轨道角动量从光场向原子的相干转移,并且其中存在着许多新奇的拓扑结构。Bigelow前期利用近共振的拉曼光实现了轨道角动量转移,并在特定的实验条件下观察到了斯格明子等自旋织构,这在凝聚态物理以及高能物理等领域具有广泛应用。但其小组并未详细分析其动态形成过程以及形成条件。本文在此基础上,通过数值计算以及一定的实验工作更加深入的对其形成过程做了一定研究。论文涉及的主要工作内容如下:第一:为实验平台设计并制作了一套光功率稳定系统,光束经过PBS分光后进入AOM移频,利用PD收集光信号后进入PID电路进行反馈调制,输出反馈信号给AOM,通过AOM调节功率。第二:编程计算了方形以及圆形的亥姆霍兹(反亥姆霍兹)构型线圈的磁场强度以及梯度,并利用此指导绕制线圈以及实验平台中控制电流以及线圈匝数层数。第三:利用Q板制造了两束空间上完全重合的涡旋光,并证实其携带确定的角动量,角动量的数值与Q板的q值有关,而后将其作用在原子团上,证实了其角动量向原子团转移的可行性。第四:计算了双光子过程驱动原子超精细结构受激跃迁的动态振荡过程,其中考虑了光强分布以及原子团分布,并且利用原子团空间上振荡频率的差异性来调节振荡时间与光失谐量,理论上在远失谐情况下得到了极化相与铁磁相的斯格明子自旋织构,并进行了一些列实验,得到一定的可以和理论相互验证的结果。在过程中发现了实验光斑与原子团大小可比拟的条件,据此提出了一种标定光斑束腰的办法。这些工作对未来本组实验中自旋-轨道角动量耦合中的绝热过程以及特殊自旋织构的制备以及研究有着现实的意义。

关键词：功率稳定磁场线圈自旋织构斯格明子

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含多重刚性植被明渠水流特性实验研究

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水力发电 2020年第11期46卷 125-130页

作者：宋滢汀景何仿王维红赵卫伟李春光北方民族大学数值计算与工程应用研究所宁夏银川750021 北方民族大学数学与信息科学学院宁夏银川750021 北方民族大学宁夏智能信息与大数据国家重点实验室宁夏银川750021

水流环境中的植被会对水流结构产生影响,进而影响泥沙运移和水质等物理量。为此,在流体力学实验室水槽中开展了系列实验,用不同高度玻璃棒代替刚性植被,利用三维激光多普勒测速仪(3D-LDV)对含不同高度组合的多重植被的水流流速、水位和... 详细信息

水流环境中的植被会对水流结构产生影响,进而影响泥沙运移和水质等物理量。为此,在流体力学实验室水槽中开展了系列实验,用不同高度玻璃棒代替刚性植被,利用三维激光多普勒测速仪(3D-LDV)对含不同高度组合的多重植被的水流流速、水位和紊流强度等物理量进行测量。根据植被重数分单重植被、双重植被和三重植被3个工况,每个工况又根据淹没度不同分3个子工况。通过对比分析实测结果,得到了含多重植被水流运动的水力学规律。研究结果对河流、水库和湖泊管理具有一定的参考价值。

关键词：多重植被淹没度激光多普勒测速仪水流流速紊流强度

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原子鉴频深空自主导航测速技术研究及地面验证

原子鉴频深空自主导航测速技术研究及地面验证

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作者：季凯俊中国科学院大学(中国科学院武汉物理与数学研究所)

学位级别：硕士

深空探测近年来逐渐成为世界各国航天领域的热点话题,其中,深空导航是深空探测重要前提条件之一。针对深空自主导航,本文开展了原子鉴频多普勒测速导航研究。原子鉴频多普勒测速导航方法是一种天文光谱测速导航方法,利用空间可视天体的... 详细信息

深空探测近年来逐渐成为世界各国航天领域的热点话题,其中,深空导航是深空探测重要前提条件之一。针对深空自主导航,本文开展了原子鉴频多普勒测速导航研究。原子鉴频多普勒测速导航方法是一种天文光谱测速导航方法,利用空间可视天体的光谱信息作为导航信息源,通过对谱线到达探测器的多普勒频移量进行实时测量,获得深空探测器相对于多个导航天体的视向速度,并通过矢量合成得到探测器的矢量速度信息,辅助深空探测器进行自主测速导航。本文根据深空自主导航的需求,并基于原子鉴频原理,提出了一种采用原子监测恒星光谱多普勒频移的深空探测器速度测量技术方案,该方案基于反常色散机制,依靠光激发原子的能级跃迁形成对光频的分辨能力,对环境条件要求较低,使得原子鉴频器同时具有高光谱分辨能力与高稳定性,是一种光谱分辨率极高,而又极稳定的鉴频器件。原子鉴频器的高光谱分辨能力与高稳定性,启发本文将原子鉴频技术应用到天文光谱测速导航方法中,开展原子鉴频多普勒测速导航研究,主要研究工作包括:本文介绍了深空导航测速的研究背景,其在深空探测活动中具有的重要意义,并详细介绍了相关应用领域的发展历史与现状及深空导航测速技术的发展趋势。并介绍了原子鉴频器的基本知识,包括原子鉴频原理、原子鉴频器结构与测试方法,以及对原子鉴频多普勒测速方法的原理进行了详细的描述。本论文的重点研究工作为:设计并研制了用于深空自主导航的原子鉴频速度计,并对研制出的原子鉴频速度计进行了测试与验证。其中利用原子鉴频敏感度测试实验,测试了原子鉴频速度计对激光的敏感精度;利用原子鉴频测速验证实验,验证了原子鉴频速度计的多普勒测速能力;利用原子鉴频太阳测速地面验证实验,验证了原子鉴频速度计利用太阳夫琅禾费谱线的多普勒频移进行测速的能力。本论文创新之处有以下几点:1)针对深空自主导航应用,提出了一种采用原子监测恒星光谱多普勒频移的深空探测器速度测量技术方案;2)根据该方案,设计并研制出了用于深空自主导航的原子鉴频速度计,并利用窄线宽激光与转盘测速装置检验了该速度计的测速能力和测速精度;3)提出了一种测量地面观测点与太阳之间相对运动速度的验证实验方案,并搭建了实验装置,观测获得了地球观测点与太阳之间视向相对运动速度,观测数据与天体运动理论计算结果吻合较好。

关键词：深空自主导航天文光谱测速原子鉴频

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核环境中的多重散射和能量损失

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中国科学：物理学、力学、天文学 2019年第10期49卷 48-67页

作者：代巍邢宏喜张本威王恩科王新年中国地质大学(武汉)数学与物理学院武汉430072 华南师范大学量子物质研究院广州510631 华中师范大学夸克与轻子物理教育部重点实验室&粒子物理研究所武汉430079

当快速部分子在核介质中传播时会和介质中的其他部分子发生多重散射,从而导致横动量展宽效应以及喷注淬火效应.本文综述了基于微扰QCD高扭度因子化计算核环境中部分子横动量展宽的最新进展,讨论了高扭度展开框架下的部分子能量损失计算... 详细信息

当快速部分子在核介质中传播时会和介质中的其他部分子发生多重散射,从而导致横动量展宽效应以及喷注淬火效应.本文综述了基于微扰QCD高扭度因子化计算核环境中部分子横动量展宽的最新进展,讨论了高扭度展开框架下的部分子能量损失计算及其在RHIC和LHC上高能核碰撞中领头强子产生中的应用.具体介绍了扭度-4过程的次领头阶计算,论证了核环境中双重散射的QCD因子化定理,证明了核介质性质的普适性并推导出了核介质性质的QCD演化方程,发现RHIC和LHC质子-原子核碰撞中向后快度区强子产生的核增强现象可被解释为非相干双重散射效应.进一步给出了高扭度展开框架下部分子能量损失效应对高能核核碰撞中大横动量强子谱产生的次领头阶数值计算方法,分别计算了π0,η,ρ0,?, KS0和ω等领头介子的产额及其核修正因子,讨论了不同领头强子的产额比,通过对核修正因子的理论计算与实验数据进行对比来抽取喷注输运参数,发现相对论重离子碰撞中领头强子谱的压低需要同时考虑初始喷注谱、能量损失机制和真空部分子碎裂函数这三个部分的影响.

关键词：多重散射喷注淬火横动量展宽

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基于卷积神经网络的指针式仪表识别

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计算机系统应用 2021年第9期30卷 85-91页

作者：李金红熊继平陈泽辉朱凌云浙江师范大学数学与计算科学学院金华321004 浙江师范大学物理与电子信息工程学院金华321004

目前大部分研究指针式仪表识别的方法中提取指针是完全基于传统的图像处理技术,提取过程较为复杂且步骤繁多.为了有效解决指针式仪表读数识别中指针中轴线所在直线提取困难及识别精度不高等问题,本文提出了一种基于深度学习的指针式仪... 详细信息

目前大部分研究指针式仪表识别的方法中提取指针是完全基于传统的图像处理技术,提取过程较为复杂且步骤繁多.为了有效解决指针式仪表读数识别中指针中轴线所在直线提取困难及识别精度不高等问题,本文提出了一种基于深度学习的指针式仪表的识别方法.首先用Faster R-CNN算法检测仪表圆盘,再采用基于深度学习的方法Faster R-CNN算法检测指针,根据得到的指针目标框的位置信息裁剪得到指针图像,在指针图像的基础上进行二值化、细化、霍夫变换检测直线、最小二乘法拟合直线等步骤识别仪表最终读数.和直接在仪表表盘目标框图像或原始图像上进行传统图像处理相比很大程度上减少了定位指针中轴线所在直线过程中的干扰.实验结果表明本文所提出的基于深度学习的指针检测的平均准确率高达96.55%.对于复杂背景下指针式仪表的指针区域的检测具有良好的准确性与稳定性.

关键词：深度学习 Faster R-CNN算法指针检测指针式仪表读数识别

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基于Mathematica的物理教学资源开发——以波动现象的动态模拟为例

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大学物理实验 2024年第1期37卷 85-91页

作者：张斯博刘思雨宋思盈洪许海周兴玉辽宁师范大学物理与电子技术学院辽宁大连116029

利用计算机软件进行物理教学资源开发是当代物理教学领域的一项重要内容。新时代的物理教师要掌握现代化的计算机工具,使之成为物理教学改革与创新的利器。作为示例,本文使用数学软件Mathematica对经典物理学中多种典型的波动现象进行... 详细信息

利用计算机软件进行物理教学资源开发是当代物理教学领域的一项重要内容。新时代的物理教师要掌握现代化的计算机工具,使之成为物理教学改革与创新的利器。作为示例,本文使用数学软件Mathematica对经典物理学中多种典型的波动现象进行了精确的动态模拟,所开发的系列动画形象直观,非常有助于学习者建立清晰的物理图像,从而拓展对这些波动现象的认识,深化对相关波动规律的理解,为物理课程增添了丰富多彩的教学资源。同时,本研究也充分展现了Mathematica软件在物理教学资源开发方面的强大功能和广阔应用前景。

关键词：波动现象动态模拟物理教学资源开发 Mathematica

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