关于焦耳定律实验的讨论

焦耳定律Q=I2Rt是中学物理中重要的电学定律,对于焦耳定律的实验演示,教材或教参上常用的方法主要有:(1)传统的煤油吸热法.将阻值不同的电阻丝串联后插入盛有相同质量煤油的量热器中,通电后看哪个量热器中煤油温度升高快,从而说明热量与阻值的关系;再将阻值相同的电阻丝插入相同质量的煤油中,通以不同的电流,看哪个量热器中煤油温度升高快,从而说明热量与电流的关系.     

一名实验物理教师的遗传学传奇

今天捷克的布尔诺(Brno)就是昔日奥地利的布隆(Brunn),1965年8月7日捷克科学院特意在这里的大教堂内组织了一场特殊的大弥撒,隆重纪念修道士格雷戈尔·孟德尔的论文<植物杂交的试验>发表l00周年.     

砂粒与复杂流体压裂液在裂缝中的流动特性研究

在矩形裂缝通道中,应用高速摄像技术,研究了复杂流体压裂液水平流动过程中砂粒的沉降速度,测试了复杂流体的流变学特性,分析了复杂流体的水平流动如何影响砂粒的沉降.研究结果表明,流性指数不等于1的复杂流体,其水平流速影响砂粒的沉降规律,砂粒在裂缝中水平流动过程的沉降速度不仅随复杂流体表观粘度的减小而增大,同时随复杂流体水平流速的增大而增大,是静止沉降速度的数倍至十数倍.     

单摆的振动图像演示装置

用电火花计时器作单摆的高压电源,使单摆的针尖和铜片间产生火花放电,并且在单放机带动而做匀速直线运动的纸带上产生放电点迹,形成单摆的振动图像.根据振动图像探究单摆的振动周期与振幅、摆长和摆的质量是否有关.     

基于LevelSet方法捕捉界面间断的Ghost技术

应用Ghost技术的LevelSet方法捕捉运动界面,采用五阶精度的WENO格式,时间离散采用TVD Runge-Kutta格式,完成了水池中油滴的上升与合并算例及火焰面燃烧算例的数值模拟,并与商用软件Fluent的计算结果进行了比较,肯定了采用Ghost技术的LevelSet方法捕捉产生间断的运动界面的合理性.同时,本文程序的编制过程体现了LevelSet方法无需进行复杂的界面重构,易于编程的优越性.     

球面上皱褶花样的演化

文章从理论和实验两方面研究了通过控制柔性衬底的曲率来调控球面上应力诱导之皱褶花样的可行性.研究以Ag内核/SiO2壳层微结构为对象.结果表明,当球形衬底的曲率较小且应力刚超过临界值时,皱褶花样为三角铺排的凹痕结构;而当应力进一步增大和/或衬底的半径增大时,则出现迷宫形的花样.皱褶的周期长度和临界屈曲应力都随衬底半径的增大而增大.此方向上的研究对于理解大自然中许多花样(比如花叶序与皱纹)的产生和演化具有重要的意义.     

设计精彩开场白引导物理兴趣心

物理课堂的开场白是一项非常重要的教学艺术,精彩、高超、新颖、别致的开场白,必然能够唤起学生的学习兴趣,收到先声夺人、一举成功的效果.直观、趣味的开场白,诱导学生变枯燥抽象的原理学习为生动活泼的规律探索,造就学生的知识饥饿感,促其产生强烈的求知欲.积极、和谐的开场白,影响着学生     

近期液晶研究中的几个新方向——液晶非显示应用基础研究的进展

近期有关液晶学科的更多的基础和应用基础研究转向了应用这个奇妙的软物质态于平面显示器件等光学领域以外的其它领域的深入探索,这就形成了近期液晶科学研究中的'非显示'热,它囊括了从生物,化学到物理,材料甚至工程等多个学科的诸多领域.本综述主要在物理及相关领域内简略地介绍了几个液晶科学非显示研究课题的基本原理,进展和可能的前景,包括作者所在课题组近期所进行的有关微波频率和中远红外(THz)波段液晶调制器的研究进展.以期为工作于液晶学科这方面研究的同行提供一点参考.     

液体透镜发展现状

文章介绍了液体变焦透镜的发展现状.从压力型液体透镜到纯电力控制的液体-空气界面的透镜,再到操作较为灵便的运用"电浸润"方法控制的封闭式液-液界面透镜,最后到能自动调节光轴的改进型透镜,文章均进行了介绍,其中着重介绍了改进型液体透镜的结构、运作机理、自动调节光轴的功能及其他优异的性能.     

Libera BPM在BEPCⅡ调束中的应用

软件无线电技术的发展,不仅带来了现代通信领域的技术革命,同样在加速器束测领域中也带来了技术的革新.基于软件无线电技术和数字接收机架构的数字BPM首先在瑞士光源得到了成功的应用,斯洛文尼亚的Instrumentation Tchnologies公司把该项技术进行了市场化并进行了不断改进,形成了现在的Libera系列产品.它集模拟信号采集、模数转换、数字信号处理以及外同步于一体,是一个真正all-in-one的宽带测量系统.它可以完成束流位置的First Turn、Turn by Turn和COD等测量工作.在BEPCⅡ的初期调束中,在电子环和正电子环的束流闭环、储存和积累、故障查处以及同步环的注入残余振荡测量方面,Libera BPM发挥了出色的作用,加快了调束进程.     

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.     

Synergistic effects on iodine release in potassium iodide solution by combination of ultrasound and visible light irradiations

Iodine release in potassium iodide solution has been investigated under the irradiations of ultrasound and visible light respectively and simultaneously. We have observed that the amount of iodine liberated under the combined irradiation of ultrasound and visible light is larger than the sum of that under the respective irradiations of ultrasound and visible light, indicating a synergistic effect of ultrasound and visible light irradiations. Based on the investigation of the reaction kinetics of iodine liberated, we have ascribed the synergistic effect to the perfect stirring of the photochemical reactor induced by the applying simultaneous ultrasound. The ideal stirring can result in the homogenization of the primary light effect in the whole reaction medium, which induces the acceleration of the photochemical reaction. On behavior of our knowledge, there are few reports on the investigations of utilizing the combination of ultrasonic energy and light energy to accelerate the reaction yield and rate as well as the kinetics of the reaction.     

Directivity calculation with experimental verification for a conformal array of underwater acoustic transducers

The radiation directivity of a complicated conformal array of underwater acoustic transducers is presented based on the boundary ＂element method. It includes the element directivity of each transducer, the natural beam pattern and the controlled beam pattern of the transducer array. At first, the boundary element model of the conformal array is built up, and then the boundary condition is exerted on the model according to the design and environment in which the transducer array is used, and the radiation directivity of the conformal array is calculated. An experiment has been done to measure the directivity in an anechoic water tank. The calculated and the experimental results are compared and analyzed. They are consistent to each other. It is shown that the boundary element method together with the detailed calculations is successful to simulate and predict the radiation directivity of an underwater acoustic transducer array.     

Formation mechanism of ethanol-water excimer

The fluorescent spectrum and the excitation spectrum were used to present the cluster molecular structure feature in ethanol-water solutions.Through analyzing the fluorescent characteristics of an excimer,it is proposed that the excimers are formed between the ethanol-water cluster molecules in the excited state and in the ground state.The fluorescent lifetime and the fluorescent intensity decay process give information about the photo-physical and photo-chemical processes of the formation and the dissociation of an excimer.The theoretical calculation and physical analysis coincide with the experimental results.The preliminary conclusion about the structure feature of ethanol-water cluster molecule is that it has a planar one like a sandwich.     

Effect of trabecular bone material properties on ultrasonic backscattering signals

In this study, ultrasonic backscattering signals in cancellous bones were obtained by finite difference time domain （FDTD） simulations, and the effect of trabecular material properties on these signals was analyzed. The backscatter coefficient （BSC） and integrated backscatter coefficient （IBC） were numerically investigated for varying trabecular bone material properties, including density, Lame coefficients, viscosities, and resistance coefficients. The results show that the BSC is a complex function of trabecular bone density, and the IBC increases as density increases. The BSC and IBC increase with the first and second Lame coefficients. While not very sensitive to the second viscosity of the trabeculae, the BSC and IBC decrease as the first viscosity and resistance coefficients increase. The results demonstrate that, in addition to bone mineral density （BMD） and microarchitecture, trabecular material properties significantly influence ultrasonic backseattering signals in cancellous bones. This research furthers the understanding of ultrasonic backscattering in cancellous bones and the characterization of cancellous bone status.     

Applications of Infrared Spectroscopy to Biochemical,Food, and Agricultural Processes

Abstract

Integrated investigations on infrared spectroscopic characteristics of metabolites and on applications of infrared spectroscopy to foodstuff production, food processing, and tasting are described. As the important metabolites, saccharides, which play very important roles in various functions, located in the central position of the metabolic pathways, were selected, and the spectral features of the saccharides and related materials are discussed. Additionally, the applications of spectral analysis to the monitoring of the enzyme reaction and the sugar metabolic processes, which are the main materials in food processing, are described. Furthermore, the studies on the spectroscopic measurements during the cultivation of agricultural products as foodstuffs and in the tasting as the final quality evaluation of foods are represented. These results suggest that infrared spectroscopy could be very effective for evaluating foodstuff production and the tasting of the processed foods and that the applied topics should provide fundamental information about the spectral behavior of the metabolites and bioproducts.     

三维荧光结合三阶校正算法快速检测水中酚类化合物

苯酚和麝香草酚等酚类化合物对人体和动植物有着严重危害，且这些酚类化合物往往同时存在于水体。由于苯酚和麝香草酚的激发和发射光谱重叠严重，常规荧光方法不能实现直接快速测定。基于三维荧光光谱结合四维平行因子（4-PARAFAC）算法，对存在未知干扰物的湖水中苯酚和麝香草酚进行定性和定量分析。利用三维平行因子和四维平行因子算法分解光谱数据，探索三阶校正算法的“三阶优势”。通过引入温度维来构建四维数据阵，将不同温度下扫描得到的激发发射矩阵沿样本维叠加得到四维数据阵，结合基于四维平行因子的三阶校正算法对目标分析物进行定性定量分析。为避免溶剂散射和仪器的影响，需要对扫描得到的激发发射矩阵信号进行预处理。通过空白扣除法和Delaunay三角内插值法去除激发发射矩阵中散射信号，再进一步进行激发发射校正，得到真实光谱。然后分别使用基于平行因子的二阶校正算法和基于四维平行因子的三阶校正算法对光谱数据进行分析，对比两种算法的分析结果。结果表明，四维数据阵并不是三维激发发射矩阵简单的叠加，得到的四维数据可能含有丰富的高维信息，有助于改善对分析物的测量结果。四维平行因子算法解析得到的湖水中苯酚和麝香草酚的平均回收率分别为97.7%±9.2%和96.5%±8.8%，预测均方根误差为0.047和0.057 μg·mL-1，预测相对误差低于10%，分析结果优于三维平行因子（平均回收率分别为105.7%±15.3%和111.0%±3.6%，预测均方根误差为0.090和0.056 μg·mL-1，预测相对误差高于10%）。实验表明，样本中存在复杂干扰背景和数据共线性严重时，三阶校正算法能够得到比二阶校正算法更满意的结果，为复杂体系中苯酚和麝香草酚的检测提供了可靠方法。     

清末传世纺织品的材质鉴别和所用染料的微量分析

从早期纺织品保护的视角出发，通过对这一行业国内外大量文献资料梳理分析，对比了织物的常规系统分析方法，结合现代的科学技术方法，对早期纺织品的面料种类、所用染料种类以及染色工艺进行测定分析。面对目前服饰博物馆清末传世朱红女袄保藏面临的严峻考验，运用傅里叶变换红外光谱仪鉴定该纺织品的材质，以萃取法提取纺织品上的染料，用反射分光色度仪对提取前后的纺织品进行表面颜色分析，并用高压液相色谱和质谱对色素进行结构分析，尝试确定分析早期纺织品上染料的结构成分和上染方式。将现代分析技术（液质联用）和理念（色度学）融入传统研究中，使用客观科学技术获取更多有效数据和信息，佐证以主观目鉴方法得出的结论，弥补这一研究领域的空白，使对于传统服饰的研究更具深度。与传统的纺织品鉴别方法横向比较，现代的科学技术方法获得的相关信息更加详尽可靠。有利于根据不同染料特性和不同纤维种类特性提出具有针对性的保藏措施，对博物馆馆藏纺织品的保护和保存具有重要的意义。采用傅里叶变换红外仪对样品的面料进行简单分析，通过不同的特殊特征峰确定了样品为蚕丝面料。该研究建立了一种普遍适用的染料提取方法，采用丙酮、乙腈、吡啶：水（1∶1）、N,N-二甲基甲酰胺、0.1%乙二胺四乙酸水溶液/N,N-二甲基甲酰胺（1∶1）、甲醇六种不同的溶剂提取样品上的染料，采用反射分光光度仪对样品表面剥色前后的颜色进行色度测量分析。结果表明，吡啶的水溶液对染料具有最佳的提取效果；发现提取染料时加入少量乙二胺四乙酸，会提高剥色效率，即染色方式可能是媒染法，因为乙二胺四乙酸可以破坏染料和媒染金属离子间的络合作用。从染料提取前后织物的颜色变化可以推断样品的颜色可能是由染料拼色得到，利用液质联用技术（LC-MS）对提取的染料进行检测，根据染料上染方式和分子量推测分析，纺织品上染料可能含有小檗碱。经过标准小檗碱染料进行验证，进一步证明了染色纺织品上其中一种染料为小檗碱。     

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。     

漫透射近红外光谱的便携式面粉品质安全检测仪的设计

基于近红外漫透射光谱分析技术,设计了便携式面粉品质安全检测仪,该检测仪主要包括光谱采集模块、光源控制模块、处理与显示模块以及电源模块。其中漫透射检测附件不仅可以实现光谱补偿功能,还可以有效避免外界杂散光的干扰,设计了控制光源开关的电路,通过实验确定样品的最佳厚度。选用树莓派4B作为核心处理器,选用可充电锂电池供电,仪器可持续供电2 h,仪器大小为250 mm×170 mm×300 mm。以去除麸皮后由小麦磨成的面粉为研究对象,总共180份样品,每份样品再分三份,分别为黄色、红色和蓝色。对所有的红色样品使用波长为900~1 870 nm的近红外漫透射光谱进行光谱信息采集并记录,对所有的黄色样品进行湿度值的测量并记录,对所有的蓝色样品进行DON含量的测量并记录,三种样品需要同时进行测量。利用箱线图剔除光谱两端的噪声和一个异常样本,最终选取1 048～1 747 nm波段光谱进行建模。利用多元散射校正(MSC)、S-G卷积平滑和标准正态变换(SNV)对原始光谱数据进行预处理,分别建立了面粉湿度的偏最小二乘回归预测模型和DON含量超标与否的PCA-逻辑回归分类模型。所建湿度的最优PLSR预测模型的建模集和预测集相关系数分别为0.883和0.853,均方根误差分别为0.382%和0.286%,残差预测偏差RPD为2.5;所建DON含量超标与否的PCA-逻辑回归分类模型的预测集ROC曲线下的AUC值为0.927,混淆矩阵显示未超标样本的预测准确率为96%,超标样本的预测准确率为89%。基于PyQt5设计GUI界面,运用Python语言编写了面粉品质实时检测系统,该检测软件可以实现PLSR、PCA-逻辑回归模型的训练、保存和加载。利用外部验证集试验验证了便携式面粉多品质检测仪的精确性和稳定性。结果显示面粉湿度的外部验证集相关系数和均方根误差为0.876和0.21%,最大相对误差为2.89%。面粉DON含量超标与否的识别准确率为90%,表明该仪器可以对面粉的湿度和DON含量超标与否进行无损检测分析。