专题：非线性物理

正编者按非线性波是非线性物理中常见的现象.研究非线性波有助于弄清物理系统在非线性作用下的运动变化规律,合理解释相关的自然现象.由于非线性波不满足物理学中常用的线性叠加原理,同时非线性波的控制方程往往是非线性偏微分方程,这导致对它的研究一直是数学和物理中重要而困难的课题.近十年来,由于观测技术的进步,玻色-爱因斯坦凝聚(BEC)系统中孤立子和光纤系统中怪波的实验研究取得了重要进展,极大地推动了不同物理系统中非线性波及其相关问题的研究.本专题邀请国内活跃在非线性物理研究第一线的专家撰文15篇(含     

邮票上的物理学史——19世纪与20世纪之交

19世纪末 ,物理学处于一种什么状态呢 ?当时的物理学主要有三方面内容 :经典力学 ,电动力学 ,热力学和统计力学 .这些都是关于宏观现象的物理学 .对于微观现象 ,虽然化学家知道原子、分子的概念至少已有一个世纪 ,物理学家在气体动理论中也已很好地运用原子概念 ,但是对原子的组成和结构则还一无所知 .不过 ,就人们熟悉的日常宏观现象而言 ,物理学已是一门很成熟的学科 .这三门分支都建立了严密的数学形式体系 ,而海王星的发现、麦克斯韦预言的电磁波的证实 ,则表明了物理学的预言力量 .当时许多人都认为 ,物理学已经很完善了 .1 876年 ,当 …     

电磁感应現象的实貭

电磁感应定律是物理学的基本定律之一,它的发现在科学上和技术上都有十分巨大的意义。它不仅推动了电磁学理论的发展,而且还奠定了现代电工学的基础。本文旨在从不同条件下观察到的一些电磁感应现象出发,以洛伦兹力理论、运动相对性原理和麦克斯韦电磁场理论三方面来阐明电磁感应现象的实质。     

利用非线性光学效应进行红外信号探测和红外图象转换

一、引言激光问世后,使人们有可能把它作为得力助手,来发现和研究光学媒质在强光作用下所出现的一系列非线性光学效应和非线性光学理论,促使光学这门古老的学科以新的活力冲出物理学的边界而另树一帜。从1961年第一次观察到红宝石激光束在石英中的倍频现象起,在     

非线性音乐物理学与混沌

爱因斯坦早就预言:“由于物理学的基本方程都是非线性的,因此,所有的数学物理都必须从头研究”。果然,当代“非线性科学”正在全世界迅速崛起和发展,它不只是向数学物理,而是几乎向所有的学科和。领域提出了挑战。人们称它是20世纪物理学继相对论和量子力学之后的第三次革命。目前,它是众多学科和领域共同关注的前沿研究课题之一。音乐物理学也不例外。在音乐物理学中,几乎处处遇到非线性现象。 人的声带发声,气流从平流转变成湍流时才能激发声带的明显振动。管乐器发声的第一原理就是湍流。例如最简单的单簧管,其管身为线性元件而簧为非线性元件。演奏者控制气流,发生不同程度的湍流,从而改变音色和音高。唢呐的哨片便是非线性元件,其非线性效应极强,在弦乐器中,一般弦上的作用力都是非线性的。例如钢琴,演奏者击键作用力一般都超过线性阻尼振动范围。拉弦乐器的弓-弦作用一般也都是非线性的。小提琴如此,中国的京胡更明显,其松香颗粒极大地增加了弓-弦摩擦阻尼,使其发出非线性效应极强的特殊音色。至于打击乐器,其非线性特征就更明显。例如中国大锣、钹、镲等等,其振动一般都是非线性振动。此外,在音乐厅建筑声学中也必须考虑非线性因素,因为真实的边界条件一般都是非线性的。     

物理学中一些前沿领域介绍

 自然界是无限广阔和丰富多彩的,物理学是自然科学中最基本的科学,它是研究物质运动形式和规律,物质的结构及其相互作用,以及如何应用这些规律去改造自然界的,是许多科学技术领域的理论基础.从本世纪开始,物理学经历了极其深刻的革命,从对宏观现象研究发展到对微观现象研究,从研究低速运动发展到研究高速运动,由此诞生了相对论和量子力学,并在许多科技领域中引起深刻的变革.物理学在认识改造物质世界方面不断取得伟大成就,不断揭示物质世界深奥的秘密,而社会的发展又对物理学提出无穷无尽的研究课题.例如原子能的利用,使人类掌握了核武器和新能源;激光技术的出现,焕发了经典光学物理的青春,使许多以往光学技术办不到的事情,现在能办到了;半导体科学技术的发展,导致了计算技术、无线电通讯和自动控制的革命.     

单相SPWM逆变器快标分叉控制及其稳定性分析

在电力电子电路中, H桥逆变器是一类基本的非线性电路拓扑, 在工作过程中, 由于电路属于时变参数系统, 使得其中很容易产生时间域上的快标不稳定现象, 斜坡补偿是一种简单而有效的方法, 可以很好地削弱这种不稳定现象.在一般电路应用中, 斜坡补偿主要依赖于经验设计, 缺乏必要的设计准则.本文将从非线性系统的分叉控制理论出发, 对峰值电流模式控制H桥逆变器中的斜坡补偿进行详细地分析和研究, 给出了斜坡信号补偿幅度的理论要求.分析计算结果和大量的精确仿真结果是一致的, 电路在稳定工作的同时, 各项性能指标也获得了极大的改善.该分析方法同样适用于其他电力电子电路的稳定性分析.     

普通物理学中的模型和解题思路

在研究客观世界时,我们往往采取丢掉次要因素,考察其主要因素的研究方法.这时要把研究的对象从实际中抽象出来,被抽象出来的对象不再是实际的研究对象,但它可表现出实际对象最主要、最令人感兴趣的运动变化规律,它称为实际研究对象的模型.这一种研究方法目前被广泛地应用于各个领域,叫模型法.在普通物理学中它不仅出现于物理学内容中,就是习题解算中也被广泛地使用.一、物理学中的定态、定位和模型建立 普通物理学中研究的是客观物质的物理运动规律,它面临的是复杂的物理现象.例如,研究公路上行驶的汽车运动就很复杂,这里有车身的运动,车轮…     

邮票上的物理学史B33——19世纪与20世纪之交

19世纪末,物理学处于一种什么状态呢? 当时的物理学主要有三 方面内容：经典力学,电动力学,热力学和统计力学. 这些都是关于宏观现象的物理学. 对 于微观现象,虽然化学家知道原子、分子的概念至少已有一个世纪,物理学家在气体动理论 中也已很好地运用原子概念,但是对原子的组成和结构则还一无所知. 不过,就人们熟悉的 日常宏观现象而言,物理学已是一门很成熟的学科. 这三门分支都建立了严密的数学形式体 系,而海王星的发现、麦克斯韦预言的电磁波的证实,则表明了物理学的预言力量. 当时许 多人都认为,物理学已经很完善了. 1876年,当18岁的普朗克面临职业选择时,他的老师vo n Jolly劝告说：“不值得去当一个物理学家. 物理学已接近于完成了,我们已经知道它的 基本定律. 只是在一些角落里还有一些模糊不清之处有待弄清楚.”1894年,美国著名物理 学家迈克耳孙在为芝加哥大学的一座新物理实验室落成而发表的演说中也宣称,基础物理 学中作出新发现的年代可能已经过去了,“虽然不能绝对肯定在物理科学的未来发展中一定 不会再现比以往更辉煌的奇迹,但似乎可以说,绝大部分基本原理都已牢靠地建立了,进一 步的进展主要是探索这些原理对所有那些我们还没有注意到的现象的纯粹应用. ……物理科 学的未来真理要在第六位小数上去找.”意即仅仅在于已知结果精度的改进.     

非平衡系统中的自组织现象──“耗散结构”的理论与应用简介

1969年,比利时学派I.Prigogine在“理论物理与生物学”国际会议上提出关于“耗散结构”的概念与理论,用以说明物理、化学、特别是生物系统在远离平衡时的特殊有序现象(自组织现象), 引起了人们很大的兴趣与普遍的重视.这一理论给理论物理的一个分支─—热力学与统计物理学的发展,开辟了新的研究领域,把它的研究范围从原先的平衡态与线性不可逆过程的理论拓展到远离平衡区域,从而为自然界中特别是生物界中大量存在的远离平衡时有序现象的研究,提供了新的理论工具.1977年G·Nicolis和I.Prigogine的著作《非平衡系统中的自组织现象》中,比较…     

科学素质融入物理学教学的研究

为了培养学生的科学素质和创新意识,在物理教学过程中做了一些有益的实践:阐述了科学素质的基本含义,尝试了转变教学理念、加强物理学教学研究、开设窗口、精选内容、精心组织教学,从时空观、对称性、守恒律和非线性体现物理学现代化,结合物理学史与物理实验的教学培养科学素质,传播科学知识与传播科学思想、方法融合,物理学的术语与社会科学的联系,对社会现象进行定性化或者定量化的描述,给出深入浅出的解释,活跃思维,开阔视野,从多个方面做了研究。     

与自学者谈学习《电磁学》──关键是“场”

电磁学和力学一样,同是普通物理学课程的重要组成部分.它之所以重要,一方面固然是由于电磁学这一学科本身的重要性,另一方面无论在概念还是在处理问题的方法上,它都标志着继力学之后的一个新的里程碑. 从学科本身来说,电磁学研究电荷在静止或运动时引起的各种现象和规律.按照近代观点,物质的电结构是其基本组成形式,电磁场是物质世界的重要组成部分,电磁作用是物质的基本相互作用之一,电过程是自然界的基本过程.因此,电与磁的研究渗透到物理学的各个领域,成为研究物质过程必不可少的基础;另一方面,由于电与磁同其它运动形态的广泛联系,以及…     

威尔逊云室技术

在近代物理学的发展史上,曾被卢瑟福誉为“科学史上最妙不可言和新颖的仪器”的威尔逊云室起过重要的作用。当时,它还被称为“物理学中的最高级技术”检验了碰撞理论。历史上,第一张电子对的照片,就是从云室得到的,从云室中发现了正电子、μ子、K~0介子。C.T.R.威尔逊由于云室的创建,于1927年获得了诺贝尔奖金。     

亚微微秒光谱学

近十年来,超短激光脉冲及其在微微秒现象研究中的应用取得了惊人的进展.现在这种技术巳扩展到亚微微秒(10-13s)领域,为精密地研究物理学、化学和生物学中以前无法分辨的超快速光过程提供了激动人心的可能性. 在激光器发明以后大约五年,微微秒光脉冲就出现了.1966年,A.德马里(Demaria)、D.A.斯切特(Stetster)和H.海纳(Heynan)[1]在闪光灯泵浦钕玻璃激光器中用非线性吸收物质,首次产生脉宽小于10ps的脉冲.至今钕玻璃激光器产生脉冲的宽度还停留在微微秒区,它能产生很高的峰功率,这对于许多应用是很需要的,但是它本质上是一个低重复率系统,…     

邮票上的物理学史(77)--生物物理学

生物物理学是生物学和物理学之间的边缘学科,它用物理学的概念和方法研究生物各层次的结构与功能的关系,以及生命活动的物理过程和物理化学过程.它的研究范围很广泛,历史上,像对生物发光(萤火虫)现象的研究,伽凡尼对肌肉的电学性质的研究,托马斯*杨对眼睛的几何光学性质的研究,亥姆霍兹把能量守恒定律应用于生物系统等,都可以归到生物物理学.我们不在这里追溯这些历史,只结合邮票上的资料就20世纪40年代以来的新进展作一简述,以便从中看到物理学和物理学家对生物学发展所起的重要作用.     

微桔型电子能谱仪

内转换是原子核电磁跃迁的形式之一.用电子能谱仪(即β谱仪)对内转换电子进行测量是一种常用的原子核物理实验手段.由于近十多年来原子核科学和技术的发展,电子能谱仪的发展也很迅速.半导体探测器和它的结合更提高了它的性能和扩大了它的应用范围.更有意义的是,目前已开始利用电子能谱仪在加速器的束流上进行在束核物理实验. 1972年,J.Van Klinken等人[1]首先研究了微桔型(Mini-Orange)内转换电子能谱仪.他们采用高磁性能的永磁材料研制出体积小、结构简单、易于操作和价格低廉的电子能谱仪及其装置系统,它在原子核物理学研究和应用方面很…     

凝聚态物理的回顾与展望

以固体物理为主干的凝聚态物理,通过半个世纪的迅速发展,已经成为当今物理学中的最重要的分支学科之一.根据国外的统计,发表的物理学的论文中约有三分之一属于凝聚态物理;而物理学工作者也有四分之一以上从事这方面的工作.从历史上来看,凝聚态物理是固体物理的向外延拓.由于近年来固体物理的基本概念和实验技术也在一些非固体材料的领域中应用并取得了显著的成效,所以人们乐意采用范围更加广泛的凝聚态物理这一名称.应该指出,凝聚态物理之所以重要,一方面,显然是由于实际应用上富有巨大的潜力,毫无疑问,它将成为一系列新材料、新器件和新工…     

近代物理讲座 第十四讲 海洋物理学概貌

海洋占地球表面积70 %以上,有丰富的资源,是重要的交通要道,有重要的战略意义,对全球的气象有决定性的影响.因此,海洋开发是新技术革命的重要内容之一.海洋物理在海洋研究、海洋开发和海上战争方面很重要. 现代海洋学中有所谓物理海洋学的分支,它研究海洋中的热力学和动力学现象.但是,按物理学家的概念,凡研究海洋中的物理现象的科学统称为海洋物理学,因此人们习惯地把海洋中的声、光、电磁等物理现象以及对它们的规律和应用的研究都列入海洋物理学的范畴.海洋物理学中又以海洋声学和海洋光学的内容最丰富,它们对国防、国民经济影响最大. 一…     

<凝聚态物理学>写作札记

凝聚态物理学已经成为当代物理学中最重要和最丰产的分支学科 .它的特征在于研究人员众多 ,研究成果丰富多彩 ,对技术发展影响广泛 ,与其他学科相互渗透迅速 .从历史来看 ,凝聚态物理学是由固体物理学逐渐演变而来的 .但是 ,由于人们对两者的学科分界缺乏明晰的认识 ,再加上不熟悉凝聚态物理学所引入的用以统一理论框架的新概念体系 ,因而 ,虽然已有不少优秀的固体物理学教科书对于凝聚态物理学的教材也有一些卓有特色的尝试 ,但覆盖全面且条理清晰、便于理解的凝聚态物理学入门教科书尚付阙如 .这一令人遗憾的情况特别清楚地表现在传统的固…     

《凝聚态物理学》写作札记

凝聚态物理学已经成为当代物理学中最重要和最丰产的分支学科 .它的特征在于研究人员众多 ,研究成果丰富多彩 ,对技术发展影响广泛 ,与其他学科相互渗透迅速 .从历史来看 ,凝聚态物理学是由固体物理学逐渐演变而来的 .但是 ,由于人们对两者的学科分界缺乏明晰的认识 ,再加上不熟悉凝聚态物理学所引入的用以统一理论框架的新概念体系 ,因而 ,虽然已有不少优秀的固体物理学教科书对于凝聚态物理学的教材也有一些卓有特色的尝试 ,但覆盖全面且条理清晰、便于理解的凝聚态物理学入门教科书尚付阙如 .这一令人遗憾的情况特别清楚地表现在传统的固…