物理学──新技术的先导

物理学是研究物质运动的最普遍的形态(力学的、热学的、电磁学的等等)以及它们之间相互转化的一门基础科学.物理学基础研究的目的在于认识物质运动的客观规律和揭示不同层次的物质的内部结构.但历史事实证明,作为基础科学的物理学其研究结果往往能够变成改造世界的强有力的工具     

时空的对称性

 时空的对称性是大自然的奇妙特性之一,这种特性几乎是无处不在。例如,从宏观的角度看,人和动物的形体结构是左右对称的,植物的结构也是左右对称的,飘落的雪花的结构也是对称的。从微观的角度看,所有晶体都是对称排列的,水分子的排列也是具有严格的对称性。对称性无论在人们的日常生活中,还是在科学研究和应用技术领域,都具有非常重要的作用和地位;它潜移默化地影响着人类的观念和思维,这点可以从人类建筑的对称结构和人的对称审美观来说明;尤其在物理科学的研究中,例如基本粒子的研究、半导体物理的研究等等,时空对称性都是处于核心地位的重要概念。     

纯相对的运动观必须批判──试评相对性原理

一、从牛顿的纯绝对运动观到 爱因斯坦的纯相对运动观 在经典力学中,牛顿把物体的运动机械地割裂为“绝对的和相对的,真正的和表现的,数学的和通常的”.在他看来,相对运动“不过是整体的和绝对的运动的一部分”,“是真正运动之差”.他认为自己的“水桶实验”找到了“直接与相对运动相反的水的真正绝对的旋转运动”。当物理学的发展深入到电磁现象的新领域时,光的传播定律就与体现这种形而上学的纯绝对运动观的经典相对性原理发生了严重的抵触. 爱因斯坦抓住电磁观象对于惯性运动也具有相对性的事实,把经典相对性原理推广为狭义相对性原理.他…     

在QCD中核子的静态性质

基于参数化的完全穿衣服的夸克传播子，　利用量子色动力学（QCD）研究了核子的磁矩和电荷半径平方的平均值与夸克动量的依赖关系。预言的核子磁矩和电荷半径的数值与文献中广泛应用的经验值和其他许多具有QCD特征的理论模型所预言的值一致。结果说明了核子的磁矩和电荷半径不是人们通常所理解的一个不变的常数，　而是依赖于核子中夸克动量的一个跑动量，　对于不同动量它们的值是不同的。计算结果也清楚地表明了所采用的参数化的夸克传播子的适用性和可靠性。     

焦耳在能量转化与守恒定律建立过程中的实验创新

能量转化与守恒定律的确立与19世纪初期工业革命的蓬勃发展有着直接的关系,不同行业的进展为定律的确立提供了坚实的事实基础.但是,固有的思想惯性又成为新思想建立的阻碍,给新定律的建立者制造了很多的麻烦.迈耶和亥姆霍兹的探索,奠定了能量转化与守恒定律的理论基础,焦耳的热功当量实验以丰富的实验内容、精确的实验数据,为定律的最终确立提供了坚实的实验基础.     

夸克喷注与胶子喷注角分布特性的研究

用蒙特卡洛模拟Jetset 7.4产生质心能量为91.2GeV的正负电子对撞事件. 在引入喷注的圆锥角后, 对不同味的夸克喷注和由不同味夸克发射的胶子产生的喷注的角分布特性进行了仔细研究. 结果发现, 在相同的能量下, 胶子喷注的角分布范围比夸克喷注的角分布范围要明显宽一些. 在带电粒子数、横动量相同的条件下, 胶子喷注的平均圆锥角比夸克喷注的平均圆锥角大很多. 喷注的平均圆锥角随带电多重数以及喷注的横动量的分布都呈线性正关联. 由不同味的夸克发射的胶子产生的喷注的圆锥角分布特性相同；而不同味的夸克喷注的圆锥角分布存在明显的差异.     

光纤端面的质量与光纤光学性能的关系

光纤的透过性能是光纤传输的重要特性之一。影响光纤透过性能的因素除了纤芯、包层玻璃的质量和几何缺陷以外,还与光纤端面的质量有关。在光纤的加工过程中,光纤端面的平整度、磨料的使用等都会影响端面的质量。讨论了影响光纤透过性能的因素;光纤端面的反射损失对透光性能的影响;增透膜对光纤端面反射的控制;加工后光纤端面的几何形状对透过性能的影响;加工后纤维端面折射率的变化情况;抛光液酸碱性的控制;抛光后光纤端面的处理。通过对光纤端面进行加工过程的控制和对光纤端面进行涂层的处理可改善光纤的透光性能。     

在QCD中核子的静态性质

基于参数化的完全穿衣服的夸克传播子,利用量子色动力学（QCD）研究了核子的磁矩和电荷半径平方的平均值与夸克动量的依赖关系。预言的核子磁矩和电荷半径的数值与文献中广泛应用的经验值和其他许多具有QCD特征的理论模型所预言的值一致。结果说明了核子的磁矩和电荷半径不是人们通常所理解的一个不变的常数,而是依赖于核子中夸克动量的一个跑动量,对于不同动量它们的值是不同的。计算结果也清楚地表明了所采用的参数化的夸克传播子的适用性和可靠性。     

自旋为1的粒子的电磁结构

利用强相互作用的不变性,通过普洛卡(Proca)方程,决定任意具有强相互作用的自旋为1的粒子的一般电磁结构的可能的形状因子。由此计算了电子与氘核的散射的微分截面。结果可用于自旋为1的粒子的电磁结构的实验分析。     

Savart偏光镜的透射率对空间调制偏振干涉成像光谱仪通量的影响

空间调制偏振干涉成像光谱仪的核心是干涉仪,干涉仪的重要组成部分是Savart偏光镜.Savart偏光镜的透射率直接决定着空间调制偏振干涉成像光谱仪的光通量,进而影响到目标的干涉图和目标的像.因此有必要研究Savart偏光镜的透射率对光通量的影响.在介绍干涉仪结构的基础上,利用电磁场边界条件和折射定律分别求得了光在Savart偏光镜的4个分界面:空气/Savart偏光镜的左板;Savart偏光镜的左板/胶粘剂;胶粘剂/ Savart偏光镜的右板;Savart偏光镜的右板/空气的透射率和光强,同时得到了光通过干涉仪后的两束干涉光的光强.利用光的叠加原理得到了干涉后的总的光强,并求出了光通过Savart偏光镜的透射率和光通量的数学表达式.通过两者的关系式可以很直观的看到Savart偏光镜的透射率对空间调制偏振干涉成像光谱仪的光通量的影响,为研究空间调制偏振干涉成像光谱仪提供了一定的理论依据.     

Sound scattering from partially water-filled elastic spherical shell with an internal elastic plate

According to the equation of motion in the elastic medium and integral equation of target scattering, the sound scattering from the partially water-filled elastic spherical shells with and without an inner plate is studied using the finite element and boundary element method, and the scattering normalized form functions of the shell filled with different volume of water are computed and the mechanism of resonance scattering is analyzed. The results show that the resonance of the shell with partially water-filled and without the plate is mainly related to the volume of water, and the resonance is produced by inner water and the spherical shell. The resonance characteristics of partially water-filled elastic shell with the plate are similar to that of empty structured elastic spherical shell, and the sound field in inner water is weaker which indicates the main resonance characteristics are decided by spherical shell and the plate. In addition, the scattering characteristics of spherical shell with plate and one side full water-filled are greatly different from the partially water-filled ones.     

火成岩中长石含量与其特征光谱间响应关系研究

长石是地表岩石最重要的造岩矿物，在地壳中的比例高达60%，几乎是所有火成岩的主要矿物成分。随着高光谱技术的发展，国内外众多学者研究主要造岩矿物含量与其特征光谱的响应关系，对遥感岩矿识别以及矿化蚀变信息提取提供了多种可能性。该研究以USGS光谱库里18个火成岩样本为基础数据，研究长石的特征光谱及其与含量之间的定量关系。通过原始光谱反射率及其变换(包括小波三层分解高频分量、小波二层分解、去包络线后光谱、去包络线后小波三层分解高频分量及去包络线后小波二层分解)，研究其与长石的含量之间的相关关系，结果表明：(1)分析六种光谱反射率的变换，去包络线后小波三层分解高频分量的光谱反射率与长石含量的相关关系最好，且相关系数正负不断变化，根据相关系数极值获得长石的特征谱带为431，570，972，1 456，1 856，2 292.9和2 481 nm；(2)原始光谱反射率与长石含量的相关性曲线趋势较为平缓，而经小波分解得到的高频分量后，趋势明显，经去包络线及小波分解得到高频分量后，相关性曲线的变化趋势愈加明显，由此可见，自变量的微小变化就会引起因变量变化，当岩石中长石的含量极小时，小波分解处理能够提高模型的精度。将长石含量与特征光谱的关系量化，运用多元逐步线性回归分析以及最小二乘法建模，建立6个线性回归模型和6个最小二乘法回归模型，结果表明：(1)去包络线后的光谱比原始光谱建立的回归模型精度更高，经过小波二层分解后的低频分量建模的回归模型精度优于未进行小波分解的光谱，其中去包络线后小波二层分解低频分量建立的回归模型效果最佳。(2)多元线性回归建立的模型精度优于最小二乘法，同时筛选对因变量影响较大的自变量，972，1 456，1 856，2 292.9以及2 481 nm。因此选择去包络线后的光谱进行多元线性回归法进行分析长石含量与光谱反射率之间关系，考虑到不同的特征吸收波段对长石含量的影响因子不同，可以利用长石的特征光谱定量反演某一区域内的长石的含量，对识别矿物具有重要意义。     

近红外光谱技术在葡萄及其制品品质检测中的应用研究进展

葡萄具有丰富的营养价值、药用价值和经济价值,是世界上种植面积最大的水果之一。根据人们的消费需求及产品的贮运要求,葡萄被加工成葡萄干、葡萄汁、葡萄酒、葡萄籽油等常见葡萄制品。基于食品质量安全的关注以及高品质果蔬农产品的需求,如何快速有效地评价葡萄及其制品的质量已成为当务之急。随着无损检测技术及装备的快速发展,近红外光谱（NIR）技术因其快速、无损、精确、经济及便于在线分析的优点,也逐渐被应用在果蔬等农产品质量品质检测领域。近年来,国内外学者利用NIR技术在不损坏被检测葡萄及其制品的前提下,结合化学计量法、主成分聚类分析（PCA）、偏最小二乘判别分析（PLS-DA）、主成分回归（PCR）、偏最小二乘回归（PLSR）、支持向量机（SVM）及神经网络（NN）等数据处理方法探究了糖、酒精、酸等一般成分及色素、单宁、芳香物质等特有成分含量与有效光谱信息的关联性,以此建立了葡萄及其制品主要品质指标的定性鉴别与定量分析模型,为便携式近红外葡萄品质检测设备的研制和在线葡萄汁、葡萄酒酿制过程监测系统的开发提供了一定技术支持。文章系统概述了近十年来国内外NIR技术在葡萄、葡萄酒、葡萄汁及葡萄副产物检测中的应用现状,旨在为葡萄及其制品在后续分类鉴定与品质评价研究方面提供参考。研究表明NIR技术通过定量定性分析可实现葡萄复杂理化成分的多组分检测和分类鉴别,在测定葡萄理化特性与内部品质方面的研究已经有了一定的进展,且在葡萄酒、葡萄汁的品质过程监测和定性鉴别方面的研究应用逐渐增多,并逐步应用于葡萄皮中多酚、花青素等葡萄副产物分析,以及葡萄藤、葡萄叶营养生长状况监测等其他方面,进一步证实了NIR技术正成为检测葡萄及其制品品质的一种有效工具,为进一步提高葡萄及其制品品质价值以及实现葡萄果园的实时、高效生产管理提供了技术支持,应用前景极为广泛。如何深入挖掘葡萄及葡萄制品不同类检测数据所反映信息的内在关联性,结合视觉、味觉、嗅觉等多源信息融合技术建立预测精确度更高、更稳健的模型去全面评价葡萄生产、果园管理、成熟期收获及产后加工全过程,实现对葡萄及其制品生产全过程质量控制和在线监测将成为今后的发展趋势。     

Time domain finite volume method for the transient response and natural characteristics of structural-acoustic coupling in an enclosed cavity

A time domain finite volume method（TDFVM）based on wave theory is developed to analyze the transient response and natural characteristics of structural-acoustic coupling problems in an enclosed cavity.In the present method,the elastic dynamic equations and acoustic equation in heterogeneous medium are solved in solid domains and fluid domains respectively.The structural-acoustic coupling is implemented according to the continuity condition of the particle velocity along the normal direction and the normal traction equilibrium condition on the interface.Several numerical examples are presented to validate the effectiveness and accuracy of the present TDFVM.Then the effects of water depth on the acoustic and vibration characteristics and the natural characteristics of a structural-acoustic coupling system are analyzed.The numerical results show that the increase of water depth leads to a stronger coupling between the water and structure and the decrease of natural frequencies of coupling system,The computational cost and memory of this method are small and it can be applicable to structural-acoustic coupling problems in the heterogeneous fluid.     

光谱法研究阿莫西林及其与DNA的相互作用

报道了阿莫西林对照品与阿莫西林胶囊的常规拉曼光谱(NRS)和在银胶基底上溶液的表面增强拉曼光谱(SERS),归属了各个振动峰位和增强峰位;研究了阿莫西林对照品溶液与DNA相互作用的荧光光谱和表面增强拉曼光谱.结果表明:阿莫西林胶囊与阿莫西林对照品的NRS及SERS图谱基本一致,说明胶囊中的辅料对阿莫西林的检测几乎没有影...     

A robust and secure chaotic standard map based pseudorandom permutation-substitution scheme for image encryption

A novel and robust chaos-based pseudorandom permutation-substitution scheme for image encryption is proposed. It is a loss-less symmetric block cipher and specifically designed for the color images but may also be used for the gray scale images. A secret key of 161-bit, comprising of the initial conditions and system parameter of the chaotic map (the standard map), number of iterations and number of rounds, is used in the algorithm. The whole encryption process is the sequential execution of a preliminary permutation and a fix number of rounds (as specified in the secret key) of substitution and main permutation of the 2D matrix obtained from the 3D image matrix. To increase the speed of encryption all three processes: preliminary permutation, substitution and main permutation are done row-by-row and column-by-column instead of pixel-by-pixel. All the permutation processes are made dependent on the input image matrix and controlled through the pseudo random number sequences (PRNS) generated from the discretization of chaotic standard map which result in both key sensitivity and plaintext sensitivity. However each substitution process is initiated with the initial vectors (different for rows and columns) generated using the secret key and chaotic standard map and then the properties of rows and column pixels of input matrix are mixed with the PRNS generated from the standard map. The security and performance analysis of the proposed image encryption has been performed using the histograms, correlation coefficients, information entropy, key sensitivity analysis, differential analysis, key space analysis, encryption/decryption rate analysis etc. Results suggest that the proposed image encryption technique is robust and secure and can be used for the secure image and video communication applications.     

粘土矿物参与微生物利用木质素形成矿物-菌体残留物的结构特征研究

粘土矿物在催化木质素形成腐殖质方面具有重要贡献。为有效阐明微生物-木质素-粘土矿物三者间的关系，探明矿物-菌体残留物的结构特征，采用液体摇瓶培养法，以木质素为碳源，通过添加高岭石和蒙脱石，在接种复合菌剂后启动110 d液体培养，期间动态收集矿物-菌体残留物，利用傅里叶红外光谱及扫描电子显微镜技术对其结构特性进行了研究。结果表明：高岭石颗粒边缘多由管状体卷曲而成，在参与微生物利用木质素形成矿物-菌体残留物后，连片状细小颗粒结构进一步团聚，结合更加紧凑，短管状结构增多，但整体仍保持多水高岭石的结构特征；在初始富营养条件下，高岭石能够促进微生物繁衍，使大量菌体聚集于高岭石表面，掩蔽了Si-O和Si-O-Al键，且矿物-菌体残留物中脂族碳结构比例增加；菌体中多糖物质通过含氧官能团与高岭石表面的水化层在多个部位形成氢键，氢键的形成对于高岭石稳定木质素及其降解产物具有重要作用，芳香碳结构比例和多糖类物质含量随培养时间逐渐增加，而后复合菌株对掩蔽在矿物表面的菌体进行二次利用，使高岭石Si-O-Al键重现；蒙脱石多由浑圆的颗粒结构组成，接种微生物可使其表面产生溶蚀，团粒结构遭到破碎；与10 d相比，历经30 d培养所得矿物-菌体残留物中的多糖类物质增多，使原本归属蒙脱石Si-O-Si及Si-O结构的1 034~1 038 cm-1处吸收峰强度增加，而后因多糖类物质与蒙脱石表面羟基发生缔合，又使该处吸收峰强度减弱，同时发生了氢键键合，该作用是蒙脱石-微生物-木质素间相互作用、形成矿物-菌体残留物的主要机制；高岭石在稳定有机碳方面的能力要高于蒙脱石，更易促进HS前体物质的形成。     

Temperature Sensitivity Control and Mechanical Stress Effect of Boron-Doped Long-Period Fiber Gratings

We will present in this work the quantitative analysis of the relationship between the doping concentrations of GeO 2 and B 2 O 3 in the core and cladding regions and the temperature sensitivity of the resonance wavelength shift in long-period fiber gratings (LPFGs). Based on this analysis, the temperature sensitivity was suppressed and enhanced to 0.002 nm/°C and 0.28 nm/°C, respectively. We will also discuss the effect of the residual mechanical stress on the optical and mechanical properties of LPFGs. In particular, we will present the measurement results of the dependence of the refractive index change and mechanical strength on the residual mechanical stress in the boron-doped fibers with depressed clad and matched clad.     

2D-Mueller-matrix tomography of optically anisotropic polycrystalline networks of biological tissues histological sections

A new technique of Mueller-matrix mapping of the birefringent structure of biological preparations of human organs tissues is suggested. The algorithms of reconstruction of average values and magnitude of fluctuations of the phase (birefringence) and amplitude (dichroism) of optically anisotropic structure of myocardium and connective tissue component of the vaginal wall histological section are proposed. The magnitudes and ranges of changes in the statistical moments of the 1st-4th order that characterize the distribution of average values and magnitude of fluctuations of birefringence and dichroism of the myocardium and connective tissue of the vaginal tissues histological sections were determined. Joint studies of distributions of the characteristics of phase and amplitude of the anisotropy of myocardium and connective tissue component of the vaginal wall tissues of different states were performed. The cases of various necrotic changes in the myocardium and pathological conditions of the vagina wall (prolapse of the genitals) are examined. Balanced accuracy of the method of Mueller-matrix polarization-phase and diffuse tomography of optically anisotropic polycrystalline networks in the differentiation of necrotic and pathological changes in human organs is determined.     

分光光度法对白洋淀各形态氮磷分布特征及源解析的研究

氮磷是引起湖泊富营养化的关键限制因子,对于水体和底泥中各形态氮磷的分布特征和源解析的研究能有效地揭示水体富营养化的过程与机制并分析其污染来源。白洋淀作为雄安新区最重要的水源之一,其水体富营养化状况严重,氮磷污染不容乐观。对于各形态氮磷含量分布特征及源解析的研究有助于全面分析该地区氮磷污染状况及污染来源,而目前同时研究底泥和水体两种介质各形态氮磷的分布规律,并利用模型定量分析各污染源对于各形态氮磷贡献的研究较少。利用分光光度法研究白洋淀水体和底泥两种介质各形态氮磷分布特征,利用主成分分析法综合评估白洋淀各区域氮磷综合污染状况,基于绝对主成分得分-多元线性回归(APCS-MLR)模型分析不同污染源对于各形态氮磷的贡献量。研究结果表明,白洋淀水体中总氮(TN)含量(1.41～4.64 mg·L-1)严重超标,均为重富营养化;水体中总磷(TP)含量(0.043～0.273 mg·L-1)污染也相对严重,95.8%的采样点为Ⅳ类及以上水质。水体中可被藻类和植物直接吸收利用的氨氮(NH+₄-N)和硝态氮(NO-₃-N)总占比达到54.9%;另外,对水体富营养化贡献大的溶解性无机磷(DIP)和溶解性有机磷(DOP)两种磷形态总占比达到52.8%。水体氮磷总量和形态的分布规律表明：白洋淀的水体富营养化状况不容乐观,对水体富营养化影响大的各形态氮磷占比大,其中白洋淀景区和淀边缘区污染相对严重。底泥生物可利用性氮(EN和HCl-N之和)占TN的比例为17.9%～66.4%,生物可利用性磷(BAP)的含量占TP的比例为8.50%～28.0%。以上结果表明,白洋淀底泥存在较大氮磷释放风险。主成分分析结果表明,白洋淀景区相较于其他区域氮磷污染严重。APCS-MLR模型分析结果表明生活源污染对于各形态氮磷(尤其底泥中)的贡献量大,农业污染、动植物残体分解、养殖业对各形态氮磷含量也有较大贡献。