光电子论文:研讨式教学方法在《光电子学》课程中的应用 摘要:《光电子学》是一门专业基础课程,内容涵盖光学与电子学等多学科知识,具有理论性和实践性并重的特点,采用研讨式教学方法,加强多学科综合专题与应用专题等研讨课程对于提高教学质量具有重要意义。通过《光电子学》研讨课的实践,从选题、目标、实施和评价等方面对研讨课进行了分析与思考。 关键词:研讨式教学;课堂教学;教学方法 一、引言 研讨式教学作为一种有效的教学模式在教改中受到多方面的肯定和推广。它针对重要教学内容中的某些习题或专题展开讨论,在此过程中学生有目的地进行调研、回顾、分析和思考,使其变被动接受为主动学习。在《光电子学》课程中加强专题研讨式教学,对教学质量的提高无疑会起到积极的推进作用。 光电子学课程是专业基础理论课程,具有理论与实践紧密结合、基础理论与前沿研究方向紧密结合的特点,但内容偏重于建立学科理论体系。光电子学课程包含两大理论体系――光电磁理论和光量子理论,需要系统介绍一系列基本概念、基本原理和基础理论,因此内容涵盖的知识面很广。课程讲授中过于偏重基础理论会使教学枯燥无味,使学生对具体的物理意义缺乏理解,在课堂教学时适当增加一些系统应用实例进行专题研讨,可充分调动学生的学习兴趣和积极性,使学生从理论和实践两方面全面理解课程内容,在教学评价上除了考试成绩之外还可结合学生在研讨中的实际表现来综合评定成绩。采用研讨式教学方式,不仅可获得良好的教学效果,融洽师生关系,更重要的是在此过程中还把学生从被动接受知识的客体转变成为主动自觉进行知识学习的主体,从而培养学生勤于思考的习惯和自主创新等能力。当然《光电子学》课程本身存在一些特殊性,使得研讨式教学不能简单模仿其他课程的模式,通过两年来的实践,我们对研讨课的选题进行了总结与思考。 二、研讨课的选题 研讨课的选题是课程质量的首要环节,选题设置的是否科学,直接关系到研讨式教学的成败。只有目标明确、内容具体、激发兴趣的选题才能达到需要的效果,避免流于形式。根据我们的思考与实践总结了以下几点可用于研讨课的选题。 研讨内容可与科研实践相结合。根据我们的实践,将光电子学应用领域科学研究中的相关内容引入课程研讨,可极大地激发学生的学习兴趣。例如,我们将高灵敏度干涉仪研究的相关实验的原理、结构、过程与结果进行了展示,鼓励学生对系统结构进行分解,然后学生进行分析,提炼出了半导体DFB激光器、声光强度调制、相位调制、偏振调制、光电探测共五个主题,学生按照兴趣自动分为5组,每组5到6人进行了深入讨论,在此过程中,他们自己温习教材、查阅资料、推导公式、分析特点、交流辩论、分析总结,很好地完成了任务。在此过程中,学生概念更加清晰,对知识点的理解更加深入,培养了学生所学知识的综合运用能力,为其今后的科研工作打下良好的基础。 研讨内容可与前沿研究方向紧密结合。光电子学的显著特点是知识更新快、新型交叉学科的不断涌现、器件性能不断提高和新型器件不断出现。为了体现课程的现代性和先进性,反映光电子领域最新的研究现状,在研讨内容上,将光电子学新技术与最新发展成果引入课程教学,使学生不仅对光电子领域有更全面的了解,并激发学生深入研究的兴趣,可为进入专业领域的研究和创新能力的培养奠定基础。 研讨课教学中可加强与相关课程内容的联系。光电子学课程有较宽广的知识面,包含了光辐射的产生、传输、调制和探测等各方面,相关内容涉及到《电磁学》、《激光物理》、《光学原理》、《量子力学》、《光电技术》、《光纤光学》、《半导体物理学》、《光纤传感技术》等多门课程。相关课程的联系也是学生非常感兴趣的内容,例如模式耦合的相关内容,以《电磁学》等课程为基础,又可应用于《光纤光学》中的圆形波导相关内容,还可延伸到《光纤传感技术》的光纤光栅等内容。这些联系都可以作为研讨的主题激发学生深入钻研的兴趣,从而巩固了所学知识,预习了后续课程。 二、研讨课的目标 在课程的研讨内容确定后,要明确研讨的目标,包括研讨的方向,研讨的重点,研讨要达到的深度等。教师在研讨课目标时,要针对学生状况确定教学目标,尽可能把问题落在学生学生最有可能感兴趣的方向,并把握把握好其难易程度。对学生而言,假如问题设置太难,势必给学生太多的负担,影响学生学习的兴趣;反之如果问题设置太简单,则又会让很多学生不屑于去思考。比如要对电光晶体调制在科研中的应用展开研讨,可以明确研讨方向是相位调制,重点是铌酸锂晶体的横向应用,要求达到能根据应用要求进行参数估计的程度。 研讨课的目标必须和讲授课目标一致,以讲授课的内容为基础进行扩展,难易程度可略高于讲授课。研讨式教学只是一种教学手段,而不是目的,知识传递始终是培养学生的基础,研讨式教学方法不能脱离这一基本条件。只有在成体系的讲授知识的基础上,在学生在积累和理解了一定的知识之后,才能应运掌握的知识、技能、经验或理论功底,围绕所设的研讨课题进行深入的思考,探讨和交流研究的结果,从而求得正确的结论和对知识理解的深化。例如“DBR半导体激光器特性与应用”研讨课,首先必须从激光产生的基本条件,到半导体的能带特点与跃迁机理,再到DBR半导体激光器结构与原理等知识点进行充分的讲述,使学生有深刻的系统的认识,如果缺乏对这些知识点的深刻理解,研讨很有可能流于形式,学生或对问题反复讨论,或在交流中缺乏主动,回答问题支支吾吾,研讨课变成例程讲解课。有了明确的教学目标,才可提出研讨方案并进行有效的实施。 四、研讨课的实施 研讨课的实施包括准备、组织和总结等方面的内容,我们确立了“目的明确、准备充分、教师引导、学生为主”的基本思想,力求研讨学生态度积极、课堂气氛活跃,而不要过多增加学生的课外负担。 第一,重视研讨前的准备。在讲述课的教学内容完成后,将研讨课基本方案提前发至学生手中,使其有足够的时间进行思考酝酿;进行辅助教育,为研讨者充实相关的知识,拓宽研讨的思路,激发学生兴趣;视学生的时间空余程度决定是否让学生自行查阅资料还是教师发放参考学习资料,要求学生进行文献资料综述并提出问题的基本解决方案;将研讨任务分解后可以让学生根据兴趣自行分组,也可随机指定分组。研讨课质量的好坏,关键取决于师生对研讨课的准备。 第二,研讨课的课堂组织。研讨课的组织可分两个阶段,包括小组讨论和课堂发言。在研讨过程中发挥学生的积极性是关键,学生应该是研讨的主体,思维应处在积极活跃的状态,教师只是组织者和引导者,如果只是教师在说,说明课堂教学设计不合理,学生没有兴趣或者准备不充分。在研讨过程中教师要把握时机,在适当地进行提问和鼓励竞争,加强师生互动和学生之间的互动,温和适当纠正学生错误观点,不能代替学生去研究。通过积极主动参与课堂教学过程,学生不但可以充分了解光电子学的知识点,还能够在科研资料调研、研究报告撰写和口头表达等多方面能力得到培养。学生在经历课堂讨论后,大多留下了很深刻的印象,师生关系也更显融洽。 第三,研讨课的总结。研讨课结束后教师可以对研讨结果进行及时的总结和分析,对表现最佳的学生加以鼓励。倘若研讨效果不佳,也可寻找原因并加以改进,逐步提高研讨效果。根据我们的经验,第一次讨论课最为重要,最好讨论学生最感兴趣和轻松的内容,多数是偏重于技术应用的内容,而且需要多下功夫准备。在研讨课总结时学生一般不愿作太多的口头自我评价和相互评价,包括自信的学生和不自信的学生,教师不需要给学生太多的压力,可以要求学生对研讨课内容作书面总结,作为研讨课考核的部分内容。 五、研讨课的考核 作为课程综合成绩的一部分,公平合理的研讨课考核评价可以进一步提高学生的积极性,考核评价内容可包含书面报告、课堂表现和相互评价。书面报告应给出文献综述、基本方案、问题分析和结论。由于教师对学生表现只能做到宏观把握,要做到公平合理很大一部分需要学生之间的相互评价,为避免学生之间相互提高成绩,学生各组总成绩主要由教师决定,而组内学生成绩需要明确优秀率,由学生投票决定成绩。教师可对考核评价进行不记名问卷调查,进一步提高考核评价的公平性和合理性。 结束语:在《光电子学》中引入研讨式教学,激发了学生学习和思考的积极性,深化了学生对知识的理解,扩展了学生的视野,提高了学生发现和解决问题的能力,希望我们的经验有一定的借鉴作用。 光电子论文:光电子器件行业发展趋势分析 摘 要 光电子器件是构成光通信系统的必备元器件,能够实现光信号的产生、信号调制、探测、连接、能量分合、波长复用和解复用、光路转换、能量衰减、方向阻隔、信号放大、光―电―光转换等功能。无论是接入网,还是城域网和骨干网,以及代表未来通信技术趋势的光互连网络,都需要大量的光电子器件,光电子器件的发展也推动了光通信技术的进步。本文主要就光电子器件行业的发展趋势进行分析,为光电子器件行业的发展提供借鉴。 关键词 光电子器件 行业 发展趋势 一、光电子器件介绍 根据是否需要电支持,光器件可以分为无源和有源两类。有源器件主要包括波长转换器、光放大器、激光器、光调制解调器、色散补偿光模块、光开关等需要外加能源驱动工作的光电子器件。无源器件是光通信系统中需要消耗一定的能量,具有一定功能而没有光电转换的器件,主要由光分路器、光滤波器、光分波器、光合波器、光耦合器、光纤连接器等不需要外加能源驱动工作的光电子器件组成。光无源器件具有高回波损耗、低插入损耗、高可靠性、稳定性、机械耐磨性和抗腐蚀性、易于操作等特点,广泛应用于长距离通信、区域网络及光纤到户、视频传输、光纤感测等等。它是光纤通信设备的重要组成部分,也是其他光纤应用领域不可缺少的元器件。 二、光电子器件与光通信发展的关系 进入21世纪后,由于互联网业务的迅速发展和音频、视频、数据、多媒体应用的快速增长,数据通信对带宽的需求快速增长,对超高速和超长距离的大容量光纤网络和传输系统有了更为迫切的需求。 随着光通信行业的发展,宽带用户数量不断提高。根据ICCSZ的《2015全球光通讯市场分析与预测》,截至2014年底,全球固网宽带用户约为7.28亿,年净增数接近5000万。 根据工信部数据,截至2015年10月末,我国互联网宽带用户规模达到2.12亿户,3G、4G移动宽带用户达到7.47亿户,其中4G用户达3.28亿户。“宽带中国”战略的加速推进,宽带提速效果日益显著,8Mbps及以上接入速率的宽带用户总数超过1.33亿户,占宽带用户总数的比重达63%,比上年末增加22个百分点;20Mbps及以上宽带用户总数占宽带用户总数的比重达27.5%,比上年末增加17.1%。光纤宽带建设进度加快,光纤接入FTTH/0用户比上年末净增4158.6万户,超过上年同期增量91.6%,总数达到1.1亿户,占宽带用户总数的比重达到51.8%。 我国政府和有关部门对光纤宽带网络建设重视程度不断加深,先后出台多项政策和指导性文件,强调发展光纤宽带网络。《通信业“十二五”发展规划》要求2015年光纤入户覆盖量达到2011年的3.4倍,年均复合增长率为45.19%,这将带动光通信相关产业的良好发展。 光电子器件作为光纤网络的构成要件,其发展与整个光纤通信行业的状况息息相关,既直接受基础网络的资本性投入、组网需求和组网方式等网络运营的影响,也通过自身技术的发展和性能的优化不断推动光网络市场和技术的演进。随着光纤网络从长距离骨干网向城域网和接入网过渡以及全光网络的发展,对光电子器件的需求更加迫切,市场需求量也随之迅速增长。据ICCSZ统计,2014年全球光电子器件市场收入约为73亿美元。 光电子器件在光通信设备总成本中所占的比例正逐年提高,其市场容量不断增加。原因来自两方面:一是光网络架构的变化。过去,光传输主要应用于骨干网和城域网,但随着带宽需求的增长以及光网路建设成本的下降,光传输网络已经向接入网延伸。接入网中的节点和终端数量都远远大于骨干网和城域网,而每个节点和终端都需要光电子器件,故接入网中光电子器件的用量远远大于骨干网和城域网。同时,接入网中带宽需求的增加反过来又会促进城域网和骨干网的网络升级、扩容甚至更新换代,从而带动更多的诸如波分复用、光放大器等光电子器件的需求。二是光电子器件的小型化、模块化、集成化和智能化。集成光电子器件在形式上正逐步取代功能单一的分立式电子元器件和光学元器件,在性能上也可替代原先需由系统或者设备才能实现的功能。因此,光电子器件在光通信设备总成本中所占的比例越来越大。 三、光电子器件的行业规模 光器件是光通信设备的重要组成部分,光通信市场的不断发展,将直接带动光器件市场不断发展。近年来全球光器件市场快速增长,根据ICCSZ统计,2009年全球光器件市场销售收入达20.15亿美元,至2013年,全球光器件市场规模已超过35亿美元,年均增长率达15.92%。 随着市场需求和技术的不断发展,国内光器件企业的综合实力不断提升,在全球光器件市场的影响力不断提高。根据ICCSZ统计,2009年中国光器件市场收入约为5.3亿美元,其在全球光器件市场中的占比约为26%;2013年中国光器件市场收入已经发展至12.5亿美元,其在全球光器件市场上的占比也上升至35%。 四、光电子器件行业的发展趋势分析 相比美国、欧洲、日本、中国台湾等光通信器件公司发展较快的区域,国内光电子器件行业中大部分企业仍然依靠低成本在低端器件领域竞争,缺乏优秀技术和自主品牌,总体上的竞争力仍较为薄弱,位于产业链的低端。 随着网络通信数据量的大幅增加,对光通信网络容量的要求也不断增大,运营商需要对光纤宽带网络进一步扩容和建设,骨干网络扩容和接入网的升级提速将是下一段光通信网络的建设重点。 骨干网和城域网的光纤扩容包括铺设更多的光纤以及对已铺设的光纤进行信道扩容。信道扩容的方法有两种:一是提高光纤的单信道传输速率。目前正在进行从10Gbit/s到40Gbit/s及100Gbit/s、400Gbit/s的扩容。二是增加单光纤中传输的信道数,如利用波分复用技术(WDM)扩容到40通道、80通道等。 受技术进步和大规模应用的影响,近年来,光纤、光电子器件和光通信设备的价格不断下降,光通信的成本不断下降。而传统电缆通信主要材料铜的价格不断上涨,在未来一段时期里,以铜线为传输介质的通信网络将大量被光纤网络所替换,“光进铜退”将成为不可阻挡的趋势。在接入网方面,主要表现为光纤到户FTTH、光纤到楼FTTB等方式逐步替代基于双绞线或同轴线的ADSL方式。另外,4G技术的推广将进一步促进移动宽带发展,更多的移动数据通信需求将促进移动通信领域“光纤到天线”的发展。 除了接入网将逐步过渡到以光纤到户方式为主外,光纤将逐步向用户端继续延伸,最终实现光纤到桌面、光纤到服务器,直至板卡光互连、芯片光互连。 随着电信号方式的高速传输接近极限,光互连作为亟须的替代技术引起关注。在个人电脑、高性能服务器及手机等产品上已经开始采用光接口,随着未来光互连的制造成本大幅下降,光接口有望应用到更多的产品上。另外,在单芯片上混载光路与电路的硅光子技术的进步、微处理器芯片的全局布线等也显示出了芯片间、芯片内采用光互连的可能性。光通信节点间的距离越来越短,所需求的光电子器件数量越来越多,应用场景越来越广泛,市场规模越来越大。 (作者单位为平安证券有限责任公司) 光电子论文:光电子学基础课程教学改革初探 摘要:光电子学基础课程是光信息科学与工程专业设置的一门专业课,也是光电子相关硕士专业研究生的必需基础知识储备。笔者结合课程教学特点,以及该专业的本科、硕士生的培养目标,对光电子学基础课程的教学方法、实践环节和课程评价方法等做了改革探索,获得了较多的有益经验,取得了较好的效果。 关键词:光电子学;教学方法;教学改革;实践环节 一、介绍 光电子技术是由光信息技术和电子技术的相互结合而形成的新的光电子技术,涉及光信息处理、光纤通信、激光技术等领域,是未来社会发展和进步的优秀技术。光电子技术不仅研究内容非常广泛,而且也是未来信息技术中的重要推动力量,它包含光信号的产生、光信息的传递、光电信号的转换和处理和光电功能材料相关的内容,如:光电功能材料的发光机理、制备方法和工艺应用范围、光电器件的加工与制作和光电系统的集成等一系列从基础理论到实际工程应用等各个领域的研究。涉及光子学、光信息科学、电子学、材料科学、计算机技术等前沿学科理论,它是由多个学科之间的交叉而形成的一门高新技术学科。 光电子技术在经历上述学科之间的交叉渗透后,其技术水平和工程应用技术取得了很多突破,在社会发展中以及社会信息化中起着越来越重要的作用,光电子技术的相关产品也越来越多地影响我们的生活。目前,国内外正掀起一股光电子技术和光电子产业的研究和发展的热潮。一些国家把大量资金投入光电子学和光电子技术的研究和开发中,许多以光电子技术为研究方向的研究中心、实验室和公司越来越多的建立起来。光电子技术的发展决定了未来产业的发展方向,将给工业和社会带来比电子技术更大的技术冲击。光电子技术和产业在国家经济建设和科学持续发展中起到至关重要的作用。 因此,光电子学基础是光电子专业学生必备的基础知识,也是未来光电子产业需求的人才中需要掌握的重要基础知识。 二、课程特点及专业培养目标 光电子学基础是整个专业中的基础专业课程,在学生专业思想和未来培养目标及要求的实现上发挥重要的作用,也是未来该专业研究生必需的基础课程储备。该课程注重理论联系实际,注重对学习者能力的培养,重点培养学生综合分析、解决问题能力,为将来从事光电技术领域的科研、开发和应用工作奠定基础。 我们的培养目标为:培养在光电子技术科学领域具有深厚的理论基础、扎实的专业知识和熟练的实验技能,德、智、体全面发展的高级光电子技术科学人才,使学生具有在光学、光电子学、光通信技术、激光科学、光波导与光电集成技术、光信息处理技术、计算机应用技术等领域开展创新性基础理论研究以及从事设计、开发应用和管理等工作应具备的理论和技术基础。因此,基于我们的专业培养目标和光电子学基础课程的自身特点,我们在教学过程中进行了改革探索。 三、教学改革探索 1.教学内容改革。①授课体系和讲授重点。该课程根据学生培养需要,从光电子器件和光电子技术在未来工程应用的需要的角度出发,研究原理及系统构成在光电检测技术、光纤通讯领域中的常用光电器件的技术。重点讲述光学基础、光纤通讯的构成、半导体物理、光纤器件、光电子现象和光电转换器件,重点讲解光电子器件的结构、工作机理、工作特性和在工程技术上的具体应用。为了更好地将所学应用到未来的技术发展上,对各类光电器件的外围系统集成、信号的调制、解调技术也作了详细的讲解,同时给出在工程中的实际例子。②课堂教学内容紧跟科学发展的步伐。光电子课程的教材对于快速发展的光电子技术来说,既是基本的原理内容,但又是滞后的技术,若授课时只是按照教材内容讲解,往往会带来知识不新、内容与技术发展脱节的后果,易使学生对该课程的学习积极性和兴趣下降。因此,在教学过程中补充和及时更新教学内容,增加一部分现代光电子技术的发展前沿、新出现的技术及需求,从而能给学生提供更多的学习探索和求真的空间。③加强该课程与应用技术之间的联系。专业基础课程的基本功能是让学生了解和掌握所学专业的发展方向,培养的学生能在以后的学习中、工作中涉及光电子技术方面上进行继续学习和钻研。因此在给同学们讲解课程中的内容时,要与现代信息技术的发展紧密结合。针对在光电检测技术、激光应用技术、光纤通讯技术等内容进行重点讲解,结合当前社会已有的需求的技术发展进行讲解,使该专业的学生明确所学课程内容在技术应用、研究发展及市场前景,对未来的从事的专业充满信心。④为了更加与国际接轨,尝试了双语教学。在平时提供给学生光电子相关的外文读物和论文,指导学生学习专业词汇,在课堂中进行讲解,开阔同学们的视野,引导学生进行初步科研潜力的培养和学习,调动学生的积极性,引导他们进行文献学习,进一步了解国外光电子技术的发展现状,激发兴趣。⑤教学内容与市场技术应用及需求的结合。结合本校本地区特点,系统规划、组织,实施产、学、研一体化模式。针对光电子技术和光电子产业市场密切联系的特点,在课程内容上跟上市场技术需求,结合本地区经济发展的实际情况,培养既有专业知识和跨学科知识,又有极强的实际操作能力、适应性强的学生,全面提升学生的理论素养和实践能力,增强学生在未来光电子产业上的竞争力。 2.教学方法探索。①充分利用多媒体技术进行教学,利用多媒体课件在表达上形象直观、方便,在效率上和容量上很大的特点和优势。既能使课程中的各种图片资料得到清晰展示,还能节约课程上的时间,从而能在课堂教学中讲解更多的课程内容,较大地提升了授课中课堂的信息量。因此我们认真积极地制作教学课件,充分利用网络上丰富的信息资源,并与兄弟院校的老师展开课程教学交流,共享多媒体课件。极大地激发学生对该门课程的学习兴趣。②采用课堂教学和专题讲座结合的教学方法。在进行课堂理论教学的同时,利用其他时间安排、组织团队教师举办《光电子技术专题讲座》,开展光电子技术专题研究,如液晶显示、光电转换及系统集成、光纤传感及应用和近场光学中的探测技术等,既能强化学生所学的基础理论,又能激发学习兴趣,培养学生的科研意识。吸引学生参与到大学生训练计划和参与到老师研究的课题中,提前打下科学研究基础。③在方法改革中,在富有开放性的问题情境中进行实验探究。对参与到老师研究的课题或参加大学生训练计划的老师,帮助学生制定合理的研究计划,选择合适的研究方案和方法,积极发动研究光电子技术的老师,为这些同学们提供必要的实验条件,由学生自己动手去实验,考证研究方法和方案,来寻求实验结果中的答案。这时,教师起到的是一个组织者的角色,指导、规范学生的探索过程。这样的过程,不仅仅是要让学生学量的知识,更重要的是要学习科学研究的过程或方法。 3.教学实践环节探索。在光电子学基础课程中,本来并没有设置时间环节,而且多数放置在大三或大四学习,实验环节很少开始。我们为了能够更好地提升学生实践技能和掌握技术设备的结合,先在原有课程体系中安排三分之一的时间来安排实践环节,开设具体的、有针对性的实验内容,让同学们能更有效地了解、认识和掌握知识和技能。在普通物理实验、电子实验和光学实验的基础上,开设如固体光电子耦合器件、热电耦器件、发光器件及光子器件。对光通讯系统的传输和光电子器件的作用有了直观的认识和理解。在此基础上,结合地方实际,联系相关光电子产业中的企业,组织学生进行参观学习,从而让学生自己体会从书本上理论到实验实际,再从实验实际再到光电子技术,从光电子技术再到光电子商品的过程,能一下子把整个知识到技术到效益的过程展现在同学们的内心中,从而更能培养和激发学生兴趣,也能将培养目标中的产业式人才完成,弥补普通高等教育中最缺失的人才与市场的不对接的不足。 4.教学目标实现探索。在光电子学基础课程改革中,把教学目标从以知识教育为主转变为实现人才培养和科学人才需求的融合,培养具有创新、探索精神的新时代新型人才。长时间以来,我们在教学过程和专业培养中,存在着理论与实际技术需求的相脱离的现象,造成理工科学生对于市场技术需求常识缺乏。我们把教学内容、教学方法和教学实践环节都做了有意义的初步探索。进一步增强了理论学习到实践环节、实践环节到市场技术发展的学习过程,极大地激发和培养学生的学习兴趣,为将来从事该专业打下坚实的基础和牢固的信心。在近三年中,我们培养的本科毕业生就业率95%以上,该专业毕业生考研成功率30%以上,使光信息科学与工程专业的学生形成了良好的学习氛围,形成了争赶超的局面。同时,针对光信息科学和工程专业的学生,我们注意在进行科学知识教育的同时注重培养市场技术需求方面的培养,增加了企业参观及动手实践等环节,同时讲授在科学研究中人文素养培养的重要性,从而使之潜移默化地对学生进行自然的而不是勉强的人文教育。 光电子论文:菲涅尔理论在《光电子学与光电器件实验》课中的应用 摘要:在《光电子光电器件实验》课程中,引入菲涅尔理论的应用。把计算机软件的应用与具体实验内容相结合,探索了在实验课程中将基础理论、实践内容、计算机应用三者相结合的教学方法。通过设计与分析高阶菲涅尔透镜的性质,使学生对光电子学的色散等概念有了更全面和深入的理解,培养学生分析问题和处理问题的能力。 关键词:菲涅尔;光电子学;光场分析 《光电子学与光电器件》是一门实践性与应用型很强的课程。学生在学习了光电子学的基本理论知识的同时,还需要通过实验课进一步理解和消化一些基本原理和基本元件,掌握光电子学的基本技能。相应的实验课的建设直接影响学生的培养质量,影响学生今后进行科研的能力,是学科建设的重要内容之一。如何构建课程体系以及在课程中引入相应的知识训练,是一个重要的研究课题。随着光通信系统技术的飞速发展,光学元件的制作工艺也在突飞猛进。菲涅尔透镜作为一种二元光学元件,在制作工艺上有着加工工艺简单、成本低、易于与其他光路集成等优点,在光束整形、光互连、光照明、太阳能利用等方面都有着广泛的应用前景。菲涅尔透镜又叫菲涅尔波带片,是基于光的衍射理论制作的光学元件。根据菲涅尔衍射理论,在对波前进行比较粗糙的分割,组成一些同心圆环,使得到达波前一点的光程相差半个波长,经过振幅叠加可以达到聚焦的目的。为加强学生对波动光学方面基础知识、基本理论和基本技能的理解和掌握,养成用波动理论分析光学问题的思维习惯,了解菲涅尔透镜的设计与分析方法,吉林大学电子科学与工程学院特为本科生开设《光电子学与光电器件》课程这门专业课。 一、几何光学的局限性 因为在日常生活中遇见的有关光的问题绝大多数都属于几何光学的问题,几何光学比较直观,解决问题的方法比较简单,本科生在进行光电子学实验的时候往往习惯于用几何光学的知识去理解激光,思考问题仅仅停留在宏观尺度上。但是几何光学有局限性,除了直线传播定律之外,作为几何光学基础的另外两条定律――反射定律和折射定律,也都只在波长很小的条件下或者在宏观尺度上应用才能成立。几何光学原理的适用范围是有限度的。光电子学实验主要是培养学生用微观的思维去理解光、了解光的波动性。按照几何光学的知识,激光通过凸透镜会聚焦到一点,如果这个点没有大小,此处能量密度将是无穷大,这是不符合科学的,所以,聚焦的焦点处应该为一个焦斑,用几何光学的知识无法计算出此处焦斑的大小及其能量分布情况。实验过程中,可以测的激光焦点最小为光波长量级的光斑,称为埃里斑,能量主要集中在埃里斑的中心,在埃里斑的周围会有光环,其能量分布如图1所示。 学生这种几何光学的思维定势会影响他们对实验结果的分析以及面对问题时所采取的解决方法。为了让学生在现有知识条件下,就能理解解决这一光学问题,从而改变他们这种思维定势,我们在《光电子学与光电器件实验课》引入菲涅尔理论的应用,对实验项目中的实验现象尽可能让学生用波动光学的知识去理解,从而改变学生波动光学的思维习惯。 二、菲涅尔理论 根据菲涅尔理论,波前上每一个点都可以看成一个新的震动中心,它们发出的次波在空间某一点振动的所有次波的相干叠加即为该点的光强。利用公式描述如下: 其中(P)是波面上P点的复振幅,K是比例常数,F是倾斜因子,d∑是面元。 通过这一公式的形式我们可以看出,经过一个复杂的曲面积分,按照理论,可以计算出激光光场中任何一点的光强。但是这个积分计算是非常复杂的,一般的学生很难完成。如果我们的实验课中让学生进行这样枯燥无味的数学计算,不但不能提高学生波动光学的思维习惯,同时还会影响学生的学习兴趣,这与我们实验课培养学生实验技能的宗旨是相违背的。 可以利用上面的公式,不需要复杂的曲面积分,借助于计算机的快速处理能力,设计出一个激光光场分析系统,在比较短的时间内计算出各种光学元件的光场情况,从而让学生用波动光学的知识去理解激光。在利用菲涅尔公式进行光场分析的时候,学生需要了解激光波长、材料折射率、光学元件的形貌等参数,这些都是光电子学中比较重要的概念。 如在进行《氦-氖激光器模式分析》实验项目的时候,学生可以利用光场分析系统模拟出氦氖激光的情况,然后利用CCD等仪器测量实际的模式,经过对比就可以发现两者之间的误差,并进行误差分析。再比如《氦-氖激光器高斯光束与发散角测量》实验项目,可以让学生在分析系统中计算发散角的大小,以及利用最小二乘法对激光光强分布情况进行拟合,对高斯分布情况进行分析,从而让学生对高斯激光有一个更深入的了解,然后利用CCD对高斯激光发散角测试系统进行测试。这一过程对学生来说可以深入强化其对光电子学概念的理解,同时提高他们对光电子学的兴趣。 三、光场分析系统 光场分析系统为我们自主研发的一套分析软件。该软件主要是针对《光电子学与光电器件实验》教学而设计,学生在使用过程中可以自由设计实验系统中各个光学元件的参数。比如,学生可以设置激光波长,不同的波长会根据光的颜色来进行区分;可以任意设定凸透镜的表面形貌,从而可以让学生了解球面透镜与非球面透镜的区别;可以设定高斯光束中能量分布情况,从而可以比较准确地测量高斯光束的发散角等参数;还可以对菲涅尔波带片的聚焦情况进行模拟,同时还可以模拟非对称的椭圆形波带片,这种非对称光学元件在边发射激光器光束整形方面有很大的应用前景。 四、八阶梯相位型菲涅尔透镜设计与分析 根据菲涅尔衍射公式,我们可以设计菲涅尔波带片,每个圆环的半径满足以下公式: 其中,R1为最小圆环的半径。如果我们对前面所提到的波带片每个波带进行划分,根据不同的波带设定不同的光程,可以制作高阶波带片。 当n=2、4、8时,波带片理论衍射效率分别为40.5%,81%,95.1%。为产生相位匹配,必须考虑材料折射率,适当选择每个波带的厚度。 为获得更高的衍射效率,我们设计高阶波带片阵列。当n=8时,波带片理论衍射效率为最高95.1%。为产生相位匹配,必须考虑材料折射率,适当选择每个波带的厚度。厚度公式如下: 其中N为波带片阶数,n为材料折射率,对于n= 1.56的材料,为波带片达到相位匹配,我们设计每层高度为118纳米,一共8层亚波带,半径为18微米,根据公式(4)可以求得该菲涅尔透镜焦距为74微米,模型如下图所示。 然后,我们利用光场分析系统模拟这种菲涅尔透镜的聚焦情况。首先分析主轴上光强分布情况,得到菲涅尔透镜主焦点位置。从图中我们可以看出,主焦点的位置与利用公式获得的主焦点位置比较符合。 然后我们继续分析焦点位置在径向的光场分布情况,获得如下光场能量分布图形与焦点处能量分布情况(图4)。 从图中我们可以看出,实际的聚焦情况与我们分析系统分析出的菲涅尔透镜焦点情况基本完全符合。下图为焦点处光场分布的立体图。 五、总结 光电子学是光学和电学相结合并加以融合的技术领域,相应的实验课在学习光电子学过程中非常重要。本文根据光电子学与光电器件实验课程的特点以及学生在实验过程中所面临的问题,在教学过程中引入菲涅尔理论的应用,设计匹配实验项目的光场分析系统,本文合理采用计算机软件应用作为教学手段,提高授课质量,增加课程设计性实验环节,将实验教学与科研培训相结合,引导学生发现并解决问题。 光电子论文:光电子产业发展动态研究 摘要:为了能够使得光电子产业不断的发展壮大,积极有效的创新是至关重要的。现如今中国的综合能力是在不断进步,但是在发展创新的投入方面还是存在很大的不足。为了提高我国的国民经济能力,为了不断提高广大人们群众的生活水平,我国必须加大光电子产业的投入力度,无论是从经济上还是物质上都要给予积极的支持。在企业发展创新的过程中,企业要借鉴国内外先进的创新成功案例,获得大量宝贵经验,同时要认真分析失败的案例,从中汲取失败的教训。从而制定出适合本企业的创新计划以及创新策略。只有在光电子企业不断创新发展的基础上,我国的经济才会有更加快速的发展,才能持续提高我国的综合国力,才能不断提升我国在国际上的地位。 关键词:光电子产业;发展动态 引言:光电子技术近些年来在信息、能源、航空和环境科学中得到了大量的发展和应用。文章对比了国内外光电子发展的现状及概括了光电子技术在一些重要领域中的应用,并总结了光电子技术的未来发展趋势。 1、光电子产业的概述 在传统的光学技术的基础上,再结合不断创新的现代的光电子科学,形成了一门新的技术-光电子技术。现光电子技术包括很多领域,如通讯、照明以及显示等行业。其中信息光电子技术以及能量光电子技术共同构成了光电子技术。与高技术产业相同,光电子产业具有以下特点:较短的产品和技术周期;较高的收益、风险以及投资;较高的战略地位以及较高的知识密集度。同时,和其他高技术产业相区别,其有着自身的特点:部队和老百姓都可以使用;满足传统技术创新升级的需求;具有很高的产品嵌入水平;应用范围很广的优秀技术以及结合了很多科学技术等。因为光电子产业的特点以及优势,在很多发达国家都致力于大力发展光电子产业。在最近10年的时间里,光电子产业不断发展壮大。因为光电子产业很早就在中国创建,所以现在在这个领域培养了很多人才,而且也取得很多进展和科技成果。现如今,在中国的诸多部门以及地区都创建了很多科学研究机构,同时创办了大量的科技刊物。与此同时,光电子产业还在不断发展创新,在极大程度上促进了我国国民经济以及国防现代化的发展进步。 2、光电子技术的发展现状 2.1国外光电子技术的发展 光电子技术主要包括信息光电子、能量光电子、消费光电子、军事光电子、软件与网络、光计算机等几个方面。就目前发展程度而言,光电子技术比传统微电子技术具有更高的优越性能和更广阔的应用空间。 2.1.1随着“地球村”的发展,更快捷、更紧密的通讯使人类更为便捷地进行实时通讯和联络,因此,在信息产业方面具有非常大的发展空间和应用规模。而信息产业的基础即是大容量的光纤通讯网络,光纤已经成为通讯网络的重要传输介质。所以,基于光纤通讯技术的各种新技术日新月异。 2.1.2随着互联网时代的继续高速发展,人们对通讯的带宽要求越来越高,希望信息传输的速度高、时间短。为了满足互联网信息传输的需求,科学家们发展了以提高单独光纤的信息运载量来满足这个需求。主要的方法是通过利用波分复用技术,即通过增加光纤内光的路数,可以增加信息的传输量。 目前,光电子技术发展比较领先的区域主要有三个地方,北美、欧洲和日本。其中,美国已经将光电子技术列为国家二十一世纪的战略发展重点之一,已经开展了大量的研究工作。欧洲以德国为首的发达国家也在上个世纪就对光电子技术进行了研究,目前在光电子技术方面也积累了大量的技术基础。亚洲主要以日本和澳大利亚为主,但近些年来韩国和中国台湾地区在光电子技术方面发展迅猛,已经在国际市场上占有一席之地。这些发展区域在光电子技术发展过程中,相互竞争又相互补充,各自发展的重点也有所区别。 2.2国内光电子技术的发展 相对于其他的半导体、电子等领域,我国在光电子技术领域与国际先进水平的差距相对较小。这主要得益于我国在国家层面上对于光电子产业的大力支持。目前我国在很多的光电子领域得到了迅速的发展,已经和国际先进水平的国家和地区可以并驾齐驱。比如一些较为典型的光电子器件如探测器、光收发模块等已经具有较高的技术水平,也在国内占有较大的市场份额,同时也可以和国外相关公司的产品进行有力的竞争。 目前国内在光电子技术发展较为领先的地区主要有以下几个地方:京津地区、长三角地区、珠三角地区和华中地区。京津地区主要以北京的高校、研究所为主,包括一些企业在内(如大恒光电子),在半导体激光器、光学仪器方面有着较高的研究和生产水平。长三角地区主要以上海和苏南地区为主的企业为主,在光学显示器件、光学存储器件方面形成了相应的产业链。珠三角地区主要以广州为主的大量光电子企业,形成了相应的光学器件产业链。华中地区主要以武汉光谷为主的众多企业,形成了光通信、激光加工等方面较为完善的产业集群。 3、光电子技术的应用领域 随着光电子技术迅速发展,在越来越多的领域开始有了更为广泛的应用。尤其是光电子技术是牵涉了材料、微机电、电子、系统集成和微加工等方面的新技术,使它能应用的各个领域中去。 3.1信息领域。随着人们对现代信息领域的高容量和高速度的需求,需要比传统电子更为快捷的光子进行信息传输和存储。由于光子本身具有的优势,可以大大提高信息的传输速度,因此光电子在信息领域中具有巨大的应用潜力。 3.2能源领域。21世纪以来,随着各国工业水平的提高,对能源的需要也越来越大,因此,人类开始进入了能源相对较为短缺的时期。如何发展较为高效、清洁的能源也是世界各国争相研究的重点,其中太阳能光伏产业是较有潜力的一种新能源。而利用光电子技术可以为光伏发电提供较高的转换效率,具有广阔的前景。 3.3汽车领域。光电子技术在汽车领域中的应用主要体现在汽车制造业中,利用高功率的激光切割器,对汽车的材料进行高精度的加工,可以大大提高其加工精度和效率。 3.4环境领域。随着人们生活的提高,人们对环境的要求越来越高。光电子技术可以制备出具有较高精度的传感器,可以精确测量在空气和水中的污染物浓度,从而进行有效的防护和治理。 3.5军事领域。光电子技术在军事领域中也具有巨大的应用潜力。一方面激光制导武器是目前发达国家进行大量研究的先进武器;另一方面,以图像传感器为主的单兵作战武器也是世界各国发展的重点。 结语:光电子技术是一门新兴的交叉学科,涵盖了物理、电子、材料等领域的基础和应用内容,是21世纪最有前途的新技术之一,可以广泛应用在信息、能源、汽车、军事等领域。随着未来光电子技术的进一步发展,高速大容量的全光网络和激光医疗是其将来具有巨大发展前景的应用领域。 光电子论文:论毛刷在光电子玻璃清洗技术中的应用 摘 要:毛刷在光电子玻璃清洗技术中是用来清洗玻璃表面的颗粒的,毛刷的材质、旋转速度、旋转方向、压入量以及所用的清洗介质等对毛刷清洗工艺起关键的作用。 关键词:压入量;颗粒;旋转方向;转速;清洗剂 1 毛刷概述 用途和原理:清洗用毛刷是用来去除LCD玻璃表面异物,工作原理是通过毛刷与玻璃之间的摩擦力以及水的冲刷力,来去除大于0.5 μm的异物,在光电子玻璃清洗工艺中盘刷和滚刷是最常见的方式。 2 毛刷的种类 在光电子玻璃清洗中一般用两种毛刷,一种为盘刷,一种为滚刷。两种毛刷的优缺点见表1。 3 毛刷的材质与清洗效果的影响 毛刷的材质与清洗效果的影响见表2。 4 毛刷在光电子玻璃清洗工艺中的应用 4.1 盘刷在光电子玻璃清洗中的应用 ①盘刷是可以用来清洗玻璃表面8~10 μm以上的颗粒,介质一般采用10~18 MΩ的纯水和清洗剂(一般情况下使用碱溶液)的混合物,PH值一般控制在12~14之间。介质的温度一般控制在40 ℃~80 ℃。介质具体参数可根据不用的生产工艺进行适当的调整。 ②在盘刷的与玻璃接触的部位需要有喷淋水润滑,喷淋水对玻璃的清洗效果和盘刷的寿命有较大的影响。喷淋水的压力一般控制在0.2~0.5 MPa(压力的选择和玻璃的大小及玻璃的厚度有关系,当玻璃较小且较厚时应选择较大压力,当玻璃较大且较薄时应选择较小的压力),喷淋水到玻璃之间应该有重叠,便于喷淋水在均匀的喷在玻璃上,如图1所示。 ③盘刷的压入玻璃的深度(简称为压入量)在清洗工艺中是一个非常重要的参数,压入量太大不仅容易损坏玻璃还会损坏盘刷的寿命,压入量太小对玻璃的清洗效果不好,不利于清洗玻璃表面的脏污及颗粒。在玻璃清洗工艺中,压入量一般控制在0.5~5 mm之间(压入量的选择和玻璃的规格、厚度、清洗机的各个工艺参数有关系,对于压入量应根据玻璃的种类做出适当的调整)。在玻璃清洗工艺中,盘刷的压入量是一个非常难调整的参数,如果调整不好就会给清洗工艺造成负面的影响,甚至会造成玻璃表面的损伤或造成玻璃在传送过程中行走的不稳定,从而使玻璃破片或者碎片。 ④在盘刷清洗工艺中,盘刷的转速也是非常重要的,原则上是转速越高清洗效果越好,但转速越快会对玻璃的行走速度造成较大的误差,严重时会造成玻璃停止不动的现象。为了保证玻璃的正常传送,盘刷的转速一般控制在200~400 rpm。如果在不影响玻璃行走的状况下可以通过适当的调整盘刷的转速来提高清洗效果。 ⑤在盘刷清洗的工艺过程中,由于多组盘刷的转动会造成玻璃在传送过程中受力不均匀,从而非常容易走偏,需要有导向装置(不同的清洗设备中有不同的导向装置,导向装置可以根据设备本身的机构设计,在保证玻璃能顺利传送的前提下导向装置结构越简单越好),以免造成玻璃在输送过程中出现蛇形曲线的状况,从而造成撞片等严重的问题。 ⑥一般情况下,为了使玻璃清洗效果较好,在有盘刷清洗的清洗机中需要清洗剂(一般情况下清洗剂是一种强碱介质,不仅有利于清洗效果还起到润滑剂的作用),所以当玻璃从其他的清洗设备进入盘刷清洗设备时需要有专门的装置(这种装置需要能把玻璃表面上的水去除掉,一般情况下此装置能吹出洁净空气,通过洁净空气把玻璃表面上的水去除,当然根据对玻璃不同的品质要求,洁净空气的清洁度要求也不同)去除玻璃表面的水来维持盘刷清洗设备中清洗剂的浓度,当玻璃从盘刷清洗设备输出到其他清洗设备时同样需要有专门的装置去除玻璃表面的清洗剂。 ⑦盘刷材质的直径也是玻璃清洗工艺一项比较重要的参数,其直径不能太小,直径太小会使整个盘刷有效部位太软不利于清洗效果;其直经也不能太大,直径太大会造成玻璃表面清洗不均匀同样对清洗效果不利。盘刷材质直径在0.05~0.2 mm之间对玻璃清洗效果最好。 ⑧在盘刷清洗工艺中由于有压入量的要求,在盘刷清洗设备的传送滚轮上需要增加一定的材料来防止玻璃在传送过程中因受力较大造成的擦划伤,在目前的玻璃清洗工艺中这种材料一般采用氟橡胶或者对玻璃不造成擦划伤的硬质毛刷来实现。 4.2 滚刷在光电子玻璃清洗中的应用 ①滚刷是清玻璃清洗工艺中除去中等颗粒一种最常见的方式,可以用来清洗玻璃表面4~5 μm以上的颗粒,介质一般采用10~18 MΩ的纯水(根据不同的生产工艺也可以采用10~18 MΩ的纯水加清洗剂作为介质),温度一般控制在40 ℃~60 ℃。 ②在滚刷清洗工艺中,滚刷的旋转方向对清洗效果有很大的影响。一般情况下,第一组滚刷的旋转方向一般是顺着玻璃的行走方向,最后一组滚刷的旋转方向是逆着玻璃的行走方向的,如图2所示。经过某多次验证,滚刷的这种旋转方向对玻璃在滚刷清洗设备中行走是最顺利的,同时对玻璃表面的清洗效果是最理想的。 ③在滚刷清洗工艺中压入量也是非常重要的参数,和盘刷一样,如果压入量太大会造成玻璃在传送过程中的行走不顺,造成玻璃擦划伤的概率就较大,甚至发生撞片、叠片的状况。如果压入量太小,就达不到预期的清洗效果。滚刷的压入量一般为0.5~5 mm之间,具体数值可以根据实际生产效果进行适当的调整。 ④在滚刷清洗工艺中,喷淋水也是不可缺少的条件,并且对喷淋水的方向也是有要求的。如图3所示的喷水方向对玻璃清洗效果最好。喷淋水的压力要求和盘刷清洗工艺中的要求相同为0.2~0.5 MPa。 图3喷向滚刷的喷淋水最主要作用是起润滑和清洗介质作用,逆着滚刷的喷淋水主要用来冲洗清洗过后玻璃上的脏污。 ⑤在滚刷清洗工艺中,原则是滚刷得转速越高清洗效果越好,但同样存在着,滚刷转速过高带来生产的不稳定。在正常的生产过程中滚刷的转速一般控制在400~2 000 rpm,同样在不影响生产工艺的前提下,滚刷的转速越高对清洗效果越好。 ⑥滚刷材质的直径也是玻璃清洗工艺一项比较重要的参数,和盘刷一样滚刷直径在0.05~0.2 mm之间对玻璃清洗效果最好。 ⑦相对为盘刷清洗工艺,在滚刷清洗工艺中,玻璃的行走方向比较容易控制,如果对玻璃行走的过程要求不是太精密,可以不加导向装置,如果对玻璃行走过程要求精度较高应加上导向装置。 ⑧在滚刷清洗工艺中,传送滚轮上同样需要安装氟橡胶或者对玻璃不造成擦划伤的硬质毛刷来避免造成对玻璃的擦划伤。 4.3 其它种类毛刷在光电子玻璃中的应用 ①除了盘刷和滚刷外,海绵轴在光电子玻璃清洗工艺中的应用也比较广泛,海绵轴除了自身清洗效果不好之外,其具体参数可以参照滚刷的介绍。 ②近年来,HPVC软质高分子聚氯乙烯滚轴在光电子玻璃中也有了一定得应用,作为新型的一种毛刷也在被越来越多的厂家所认可。 毛刷在光电子玻璃清洗工艺中是非常重要的一环,对玻璃有着显著的清洗效果,目前绝大多数光电子玻璃生产厂家的玻璃清洗工艺都用到了毛刷清洗工艺。随着市场的需求,作为一种消耗品,毛刷的质量和寿命等自身参数也有了越来越高的要求。 5 结 语 毛刷在光电子玻璃清洗工艺应用中主要用来清洗玻璃表面4 μm以上的颗粒,在清洗过程中,各个参数都非常重要,以上所谈的参数选择是在实践中总结出来的,希望能给大家一些帮助。 光电子论文:武汉市光电子产业发展战略研究 作者简介:谭昊,湖北巴东人,2011年毕业于中南民族大学金融系,现就读于中南民族大学经济学院中国少数民族硕士专业。 摘要:21世纪是信息经济时代,信息产业将成为支柱产业。而信息产业的发展却与光电子技术的发展有着紧密的联系。光电子产业将为21世纪最具魅力的朝阳产业。武汉东湖高新技术区作为部级光电子产业基地,聚集了一批有自主创新能力的光电子企业,具有较强的竞争实力,对国的光电子产业乃至信息产业的发展有的举足轻重的地位。因此,加强对武汉光电子产业发展战略研究,对我国光电子产业的发展壮大有着至关重要的意义。 关键词:光电子产业;突出问题;发展战略 一、光电子产业概况 光电子产业是以硅为基础原材料、以红外线、激光光电子技术为支撑的,包括能源光电子、信息光电子、消费光电子、光储存、光通信与网络等电子技术产业,光电子产业在各个方面具有微电子无法比拟的优势以及更为广阔的发展前景和市场潜力。 我国光电子产业整体上水平低下、发展不足,从生产规模这一项来看,我国的光电子产业占国际市场的份额很低,但是我国的其他粗放型产业占国际市场市场份额超过百分之二十。但是,光电子产业在我国有巨大的市场,发展潜力充足。近十年,我国光电子产业产值平均年增速达到20%,截止2012年,我国光电子产业市场需求接近700亿美元。 武汉东湖高新区是“国家光电子产业基地”,是我国发展环境最有利、发展潜力最大的光电子产业基地。武汉建设一系列光电子产业基础设施,增加了武汉光电子的承载能力。武汉光谷不仅拥有众多的国家光电实验室,而且随着信息产业的不断发展壮大,以企业为代表的经济体越发注重知识创新,竞争力不断增强。越来越多的技术中心在武汉光谷“安家”。以光谷为中心坐落着以华中科技大学、武汉大学、武汉理工大学为代表的多个高等学府,他们为武汉光电子产业源源不断输送大批高端人才,这也是其他地区光电子产业无法比拟的优势所在。 2012年10月底,武汉东湖高新技术开发区出台了光电子产业发展新政策,推动着武汉光谷光电子产业的继续腾飞。光谷已发展成为武汉光电子产业优秀地区和国际竞争的典范。 二、武汉光电子产业存在的问题及其原因 (一)产品结构不合理 投资类产品比例过大时武汉光电子产业的重要特点,相反地消费类光电子产业十分薄弱。比如,武汉光电子产品中光纤光缆等投资类产品的生产规模最大,致使投资类产品的比例占总产品比例达到七成。由于技术落后,生产原料必须从国外进口,产品的市场总量需求趋于过剩,造成光电子产品价格不合理,发展模式落后,跨越式发展的空间不大。这主要是由两反面造成的,一方面是受市场波动影响较大,投资产品受市场波动影响较小,大量生产投资型产品是又市场决定的;另一方面是光电子产业链短。基础类产品主要是生产制造光纤光缆等投资类产品,对其他制造业的商品需求不够,造成光电子产业的发展不能带动上游产业和其他制造业的发展的困境。 (二)投入不够,资金来源渠道少,投资重点不突出 武汉光电子产业虽然得到国家的大力扶植,但是给予的资金支持并不足以让武汉光电子产业得到充分的发展。武汉光电子产业吸引外资不足,也导致了其资金来源不足,渠道不畅等问题。在投资方面,没有突出重点,没有形成足以带动整个武汉光电子产业的龙头企业。同时,武汉光电子产业还存在体制不健全,缺乏产权交易市场和完善的顶尖技术项目的问题。武汉市光电子产业得到的国家资金投入量与光电子发达国家的基金投入量相比实在是微不足道。 (三)优秀竞争力不足 优秀竞争力是一个企业赖以生存的基础。强大的优秀竞争力短期内是由企业产品和服务的质量决定的,长期来看,科技创新能力是一个企业优秀竞争力的关键所在。优秀竞争力是企业综合实力的具体体现、是企业赢得市场竞争、能否长期健康发展的根本因素。优秀竞争力是武汉光电子产业持续发展的保障。虽然国家对于武汉光电子产业的发展做出大量的政策和资金支持,但是武汉光电子产业优秀竞争力不足时不争的事实。在各国各个光电子产业基地竞争力综合评估中,武汉光电子产业的三个优秀竞争力指标都处于中下游水平。科技创新不足是武汉光电子产业优秀竞争力不足的根本原因。 三、武汉光电子产业发展战略相关建议 (一)加快产品结构调整是未来光电子企业生产活动中的重要工作 近年来,由于投资类产品和消费类产品比例失调,武汉光电子企业面临生产上的严峻挑战,特别是一些生产技术相对简单的低档产品。这些产品往往利润不高,使光电子企业效益低下,发展履步维艰。而一些技术难度大、回报率高的产品又只能靠进口国外企业。这种恶寻循环使我国光电子产业不能健康快速发展。因此企业应同科研单位合作,加大技术创新的力度,深入了解市场需求,以生产适销对路的产品,使我国光电子产业的产品结构不断趋于合理化。武汉光电子企业往往集中度过低,不能形成产业集群效应。 (二)调整投资结构,优化资金投向 武汉光电子企业要持续发展,做到真正服务于光电子,仅靠有限的政府投入是不够的。 在资金有保障的情况下,还要考虑到资金怎么用的问题做好资金的协调安排,统筹规划,提高资金的利用效率做好资金的协调分配,扩大武汉光电子产业企业的资金来源,长效的资金投入制度还有待政府作为真正的投资主体,从国家财政上给予必要的支持。要充分发挥现有地方政策性投融资的作用,充分发挥现有地方政策性投资机构的作用,很重要的一个方面是增加政策性资金来源。加大引进外资力度,引导外资重点投向光电子工业重点发展的领域、重点项目和重点产品的开发与生产。优化资金结构促进光电子工业发展,以营造良好的研究开发环境和商业环境为重点,为国内外投资者创造高效的行政服务、优越的投资环境和便利的交通条件,以此吸引更多的国外投资商来武汉投资。 (三)加大科研投入,保护知识产权 一是鼓励企业拿出更多资金投入到科技创新和知识产权的保护,二是大幅提高政府财政预算,为企业的科技创新和知识产权的保护保驾护航。同时,要大力推进产学研联合,多方协作,充分利用武汉优越的大学资源;组合科研小组重点攻关,尽最大努力解决和突破关键专有技术难题,因时因地制宜地建设专门进行科研的研发中心,提升企业的自主创新能力。知识产权制度已经成为国家发展战略的重要组成部分,是经济发展的重要保证,是科技支撑的关键环节。国家必须重视知识创新,要建立一个有法可依的知识创新激励机制,从根本上保障知识创新者的权益,反不正当竞争法等市场激励机制建设,建立健全有关打击侵犯专利等危害知识产权的行为。确保科技创新活动和知识产权保护沿着健康轨道发展。 作为我国最重要的光电子信息产业基地之一的武汉光谷,具有明显的区位优势、技术优势以及产业优势。它是武汉光电子产业发展的基集中体现。在武汉建立中国光电子产业基地,大力发展武汉光电子产业将对我国光电子产业的发展,推动产业结构调整和经济增长方式的转变,进而带动我国光电子信息技术的进步,都具有深远的战略意义和历史意义。(作者单位:中南民族大学经济学院) 光电子论文:应用技术型本科院校光电子技术课程教学改革 摘 要 本文根据应用技术型本科院校的特点及培养目标,从与企业合作编写教材、课程的设计偏重实验、运用现代化教学手段及采用合理的教学评价体系等方面,对光电子技术课程的教学进行了改革与探索。 关键词 应用技术型 光电子技术 教学改革 为了使大学生的培养更好地面向社会,贴近市场、更好地满足社会经济发展的需要。教育部等六部委提出了《现代职业教育体系建设规划(2014-2020年)》,鼓励举办应用技术型高校,将其建设成直接服务区域经济社会发展,以举办本科职业教育为重点,融职业教育、高等教育和继续教育于一体的新型大学。在上述《规划》的指导下,欲推动一批本科高校转型,而宁波工程学院恰是2000年以后转型成立的服务地方经济发展的本科院校,响应转型号召义不容辞。但对于应用技术型大学培养没有现成的经验和轨道可循,只能在借鉴别国同类院校办学成果和积累的经验的基础上探索。“光电子技术”是我校电子科学与技术专业光电子方向的一门专业优秀课。其教学任务不仅要传授给学生扎实的光电子技术的专业基础知识,为后续相关课程的学习打下坚实的基础,更为重要的是通过完善的理论和实践教学体系培养和提高学生的工程素质,为毕业后从事光电子方面的相关岗位做准备。本文就光电子技术课程针对应用技术型人才的培养模式提出几点见解。 1 应用技术型本科院校光电子技术课程培养目标 随着我国工业技术的发展和产业结构的转型升级及由此引起的劳动力市场变化,社会大环境对高层次应用型人才的需求更加迫切。由此,作为电子科学与技术专业优秀课程的光电子技术课程的培养目标与传统偏学术型定位的课程培养目标存在根本性区别,而应以学生就业岗位需求为导向确立培养目标。培养的学生既要具有扎实的理论基础,更具有较强的动手能力,使学生毕业后在相应的工作岗位能够具有光电产品生产制造、装配、检测、设备操作与维护、技术服务、生产管理等方面的应用才能。经过相关企业大量调研和人才需求分析,笔者认为应用技术型本科院校光电子技术课程的具体目标是以培养从事光电子方向系统设计与集成的应用技术人才为主,注重提高学生光子器件的开发能力,强调学生的综合应用能力,能够理解跨行业的知识融会贯通。 2 目前转型类高校光电子技术课程教学中存在的问题 (1)教材少,内容陈旧,不能与时俱进。我校于2005年由原来的专科学校升格为本科院校,属于地方本科院校。学生使用的教材几乎都是由学术型大学的专家教授编写出来的。这些教材偏重理论,对于培养应用型人才,服务地方经济的宗旨不太匹配。教材更新速度慢,与企业实际情况相距甚远。同时,由于课程内容侧重理论,学生学习起来感到枯燥无味。 (2)授课内容偏重理论,轻实践。光电子技术是光子技术与电子技术相结合而形成的一门新兴的综合性交叉学科,主要研究光与物质中的电子相互作用及其能量相互转换的相关技术。它包含了激光原理与控制、光电显示、光存储、光辐射的调制及探测等方面的知识,讨论光纤传感器原理,相干测量及激光的各种应用等。当前地方本科高校的培养体系和模式基本都是按照传统的理论人才培养模式构建,在转向应用技术型本科高校的过程中培养内容和课程体系受到传统惯性的影响,理论教学依然占有绝对的比重。这与培养学生具有相应的应用技能相悖。光电子技术本是一门应用性很强的课程,通过该课程的学习应该使学生具备应用所学知识解决实际问题的能力。完备系统的理论知识固然重要,但新颖的实践教学环节的设计更能使学生提高学习兴趣和对实际问题的分析和解决能力。 (3)课程内容较多,课时偏少。光电子技术是电子科学与技术专业的重要组成部分,是21世纪先进科学技术之一,在现代社会中起着举足轻重的作用,他的发展对国民经济及国防建设有着巨大的推动作用。但光电子技术作为专业的主干课程,内容较多,涉及的范围广,而课时量大多在48~64课时之间,有的还包括16课时的课内实验。在少课时的情况下,如何完成内容的讲解,同时在理论学习和实践的过程中提高学生的应用技能成为必须考虑的问题。 (4)评价体系单一。目前大多数高校光电子技术课程的考核方式是教师根据学生的出勤和期末试卷给出课程成绩;出勤占20%,期末试卷占到80%。基本一张试卷决定学习的好坏,偏离课程学习初衷,忽略学生是否能运用科学的方法将所学的理论运用到实践中去发现问题,探究和解决问题,生成新的知识。 3 应用型本科院校光电子技术课程改革措施 3.1 以岗位需求为导向自编教材,及时更新 依据当今科技的发展,企业技术不断革新,通过到光电子方向相关的本地企业光圣科技、奇美电子、首佳液晶、璨宇光电、菱茂光电等进行大量的调研,了解企业对人才具体需求确定课程培养目标。整合课程内容:增加LED显示材料和液晶显示的驱动,删除了阴极摄像管显示和光辐射的电磁场理论。同时增大了液晶显示板的设计,组装和调试等内容。根据行业和企业的实际需求自编教材,且与企业合作共同编写。该教材适合学生更快地进入工作状态,熟悉工业运作,也可作为企业提高自已员工水平的参考资料。 3.2 增加实践学时的比重,提高学生应用技能的培养 应用型本科院校定位后,我院对原有的光电子技术实验室进行了升级改造。一方面增加了设计型实验的比例,同时去掉了验证性实验。因设计性实验能从多角度、多方位、多层次、多途径训练学生提出问题、分析问题和解决问题的能力,是培养学生应用技能的重要手段。另一方面,根据课程培养目标,与大恒光电及天津拓扑合作共同开发了实验项目。具体内容如表1所示: 表1 实验类型、实验项目及所占比例 3.3 采用课程内容分层、开展课堂讨论及利用现代化的网络平台等多种教学方法 应用技术型本科院校在传授学生系统的理论知识的同时,更重要的是培养学生运用知识的技能。传统的光电子技术课程教学方式已不能适应新时期应用技术型大学生培养的需要。而教育体制改革又要求降低教学的学时数,给学生更加宽松的时间培养综合素质,而技能的培养又需要大量课时。解决教学课时少与应用能力培养之间的矛盾,成了光电子技术教学改革的一项重要任务。笔者认为,首先为了能在有限的学时内,讲解更多的内容,而且还能被学生较好地吸收,需要将教学内容作整体分析、分出层次。比如:哪些内容是重点、要点,需要学生牢固掌握;哪些内容是难点,需要慢讲,细讲;哪些内容属于扩大知识而容易理解的,可以快讲;哪些内容需要压缩甚至删减;哪些内容可以让学生自学。例如,各种显示器的工作原理和驱动方式是重点内容,需要详讲,精讲多练;激光器的清洗,雕刻等应用内容简单,学生可以自学。其次可以针对难点的内容开展课堂讨论,在活跃的课堂气氛下,加深对知识的理解。最后利用现代化的教学和沟通工具,为学生建立一个交流平台,这个平台应用的技术可以由教师自己选择,如BBS、微信、QQ、电子邮箱、社区等,然后教师将认为有用的资料分享到这个平台,并对学生提出的问题进行解答,这样可以达到一个教学相长的效果。 3.4 采用多元化的评价体系 教学评价方面,采用多种考核方式并举,多角度考查学生对知识的掌握程度。目的是淡化考核结果,避免学生机械地背诵书本知识应付考试,注重学习效果和过程,提高学生自学能力,培养学生良好的学习态度和习惯。如根据光电子技术的课程特点,笔者对原有的考核方式进行了适当的调整,偏重实践教学的权重,同时,注重平时课堂表现、学习态度和成效,在期末考试中采取开、闭卷相结合的方式(如表2所示)。 光电子论文:“光电子技术”课程中诱导式教学方法的创新探索 【摘 要】光电子产业作为21世纪具有代表性的主导产业之一,对当今世界科技发展起到巨大驱动力的作用。而《光电子技术》则是电子信息科学类专业的基础学科,本文从分析该课程在本科教学阶段的现状及存在的问题出发,通过剖析学生学习的状态及《光电子技术》在教学模式中存在的问题,把科学研究引入课堂,采用诱导式教学方法和多元化的考核评价标准,对《光电子技术》的教学模式进行创新性探索。实践表明这些教学探索极大程度的调动学生的学习热情,提高了《光电子技术》的教学效果。 【关键词】光电子技术;教学方法;诱导式教学 0 引言 随着国家信息化建设的逐步深入,我国采取了一系列积极、稳妥、有效的措施促进电子信息技术产业高速、持续、健康的发展。从2002年开始国家计委组织实施光电产业化专项计划,光电专项产业化目标[1]是:(1)根据我国在光电子研究开发方面所具有的技术优势和资源特点,重点支持一批技术水平高、市场前景好的光电产品,实现产业技术升级,并尽快形成规模生产。(2)“十五”期间初步形成具有一定自有知识产权和产业优势的光电产业体系。通过对我国已有技术和资源优势并在国际市场有竞争力的光电子产品的重点支持,力争在“十五”期间使国内光电产业能够满足国内各行业的需要,并进入国际市场。(3)通过技术创新和项目建设的带动,扶持光电产业基地的形成。光电信息技术产业的迅速发展,使得具有光电信息技术知识背景的从业人员的需求逐年增加。作为培养专业人才的摇篮,近年来,很多高校相继开设了光电信息工程专业。它以培养可从事光学工程、光通信、图象与信息处理等技术领域的科学研究及相关领域的产品设计与制造、开发及应用等工作的应用型人才为目的。 而《光电子技术》作为光电信息工程专业的一门专业基础课,从了解光电子技术的发展和应用开始,通过学习光学基础知识,以光学系统的源、传输通道、信息加载、探测、信号处理、显示和存储为主线,引导学生系统、全面的学习光电子技术。通过本课程的学习应使学生对光电子技术中的基本概念、基本技术和基本器件有比较全面、系统的认识,培养学生分析和解决工程技术问题的能力,为进一步学习相关专业课打下基础。 本文从分析《光电子技术》课程在本科教学阶段的现状及存在的问题出发,通过剖析学生学习的状态及《光电子技术》在教学模式中存在的问题,把书本上的内容与当前光电信息产业的发展现状相结合,采用诱导式教学把科学研究引入课堂,对《光电子技术》的教学思路进行创新性探索。实践表明这些教学探测极大程度的调动学生的学习热情,提高了《光电子技术》的教学效果。 1 《光电子技术》的教学现状及问题 就《光电子技术》这门课程而言,由于教学内容的逻辑推导内容较多,要求以大学数学为基础,具备物理学,材料学,电路电子等多学科的知识和理论体系,导致部分学生对其缺乏兴趣,进而 影响到教学的效果。 尽管近年来,随着的电子设备走进课堂,授课方法也日趋多样,如、“现代化多媒体与传统板书”相结合的教学方法、“图片演示与实物展示”相结合的教学方法、“课堂讲授与小组讨论”相结合的教学方法等[2]。对传统意义上的教学模式进行了改革,如,讲解到激光原理与技术这一章节的时候,在课件中放上激光器以及激光光束的图片,把文字描述的内容以实实在在的实物图片展现在学生的眼前,加深了学生对知识点的理解和接受。这些教育教学方法的改革在很长的一段时间的确取得了很好的教学效果。 然而,随着的物联网技术的发展,现在的大学生可以从互联网上获取海量信息,仅仅是一副图,一个装置器件已经无法引起学生过多的关注。那么,如何吸引到学生的注意力,激发学生的学习兴趣,把《光电子技术基础》这门光电信息工程专业基础课讲解的生动,打开学生通往光电子技术领域的大门,为进一步学习相关专业课打下基础是我们亟需解决的问题。 2 诱导式教学方法 传统意义上的诱导式教学方法早在20世纪80年代被提出,其理论依据出自《论语-述而》:“不愤不启,不悱不发,举一隅不以三隅反,则不复也。”意思是只有当学生百思而不得其解时,教师才可以有选择的启发他,当学生心里明白但不知如何表达时再去开导他,如果学生不能举一反三,就先不要往下进行了。因而诱导式教学应当是“启发”和“引导”相结合,通过“启发”和“引导”学生,使得学生在有限的课堂教学时间内做到触类旁通,提高教学效率。 而大学教育赋予了“诱导式教学”新的含义,除具有传统意义上的诱导式教学的思想以外,还包含了用发展的眼光看待书本上的知识体系,把科学研究、最新的科技发明、科技产品引入课堂。就《光电子技术基础》这门课程而言,可以从光电产业的最新科研成果中提炼出与课本知识点相关联的的内容,通过光电产业的新发明,新应用吸引学生的注意力,在讲解这些发明或应用的过程中传授教学内容,激发学生的学习《光电子技术》的兴趣。以《光电子技术》[3]中“偏振――起偏――检偏”这一知识点为例,如果仅仅从书本上给出的概念出发讲解:(1)偏振指的是振动方向对于传播方向的不对称性;(2)自然光得到偏振光的过程称之为起偏,所用器件为起偏器;(3)检测某一光束是否为偏振光的过程称之为检偏,所用器件为检偏器。抑或在多媒体课件上放置光束起偏/检偏的图片,都不能起到很好的教学效果。为了吸引学生的注意力,激发学生对“光的传播”这一教课内容的兴趣和求知欲,同时扩展学生的知识面,可以从近阶段的热门话题个人全息手机(takee手机)引入,takee手机的亮点之一是可以使用户从各个角度都能感受到浮在屏幕上的全息立体3D效果,进而联系到学生身边的光电信息技术――3D电影,观众要戴上一副特制的眼镜,而这副眼镜就是一对透振方向互相垂直的偏振片,由此把重点落到“偏振”这个知识点上,让学生在一个轻松的教学氛围中不仅学到了新知识,而且知道新知识的应用领域和当前发展的现状,扩宽了学生的知识面和眼界。 因此,大学课堂中的诱导式教学方法应该:(1)培养学生具有批判性思维;(2)具有科学的想象力;(3)具备自我塑造和发展能力。在此基础上,“以点带面”提高学生的创新能力和动手实践能力。 3 多元化的考核评价标准 北京航空航天大学校长前校长曹传钧教授在本科教学上,提出“讲一、练二、考三”的教学模式。指出学生的学习效果体现在:(1)知识面的宽窄;(2)学习,实践的经历;(3)自学的能力;(4)是否具备创造性思维和创造性能力,具有独立的见解等几个方面[4]。那么单纯的一张试卷,一次考试就不能够作为学生掌握知识的依据。 而《光电子技术基础》是理论与实践相结合的一门课程,这就要求其课程的考核评价标准应该具备多元化,多样性的要求。整个课程的考试分为三部分:(1)理论部分的考核:可以采取闭卷考试了解学生对基本概念,基本理论的掌握程度,或者把基本理论深入剖析,采用开卷考试的方式,考察学生运用书本知识分析问题的能力;(2)实验部分的考核:通过实验不仅能够加深学生对知识的掌握,实验本身更是对整个章节,甚至整个课程内容的一个体现,如电光调制实验,旨在让学生掌握晶体电光调制的原理和实验方法,但是该实验从激光发射出的光波经由起偏器,电光晶体,1/4波片,检偏器之后被光电探测器接收,通过信号处理,学生可以在示波器上观察到作用到电光晶体上的调制信号曲线和光电探测器解调后的信号曲线。而这么一套设备展现出来的就是一个完整的光电系统。学生在实验的过程中可以运用光电系统的知识搭建好实验线路,确定光路信号的走向,通过示波器显示的信号曲线分析实验过程中出现的问题,思考该问题出现的原因以及采用何种解决这些问题,从而考察了学生对于光电调制内容的掌握程度,促使学生从实践中意识到理论知识的重要性,提高学生分析问题解决问题的能力;(3)课程设计部分:课程设计旨在学生根据授课内容,通过自学扩大自己的知识面,结合日常生活中使用的光电子产品,培养学生科学的想象力和创新能力。整个成绩采用百分制的标准,三部分的分值分配以60%+15%+25%的形式评判学生对《光电子技术基础》的学习掌握程度。 通过对两届学生的采用诱导式教学和多元化考核评价的教学,其实践表明这些教学探索极大程度的调动学生的学习热情,提高了学生运用所学知识分析问题,解决问题的能力,培养了学生的动手能力和创新能力,达到了《光电子技术》的教学效果。 4 结束语 光是人们最为熟悉的现象之一,从17世纪关于光的本质的两大对立学说到21世纪的信息时代,光电信息技术已经渗透到人们日常生活之中,除了光电子技术专业的学生需要深入系统地学习《光电子技术》外,微电子技术、材料、电子科学与技术等专业的学生也需要了解光电的基本概念和基础知识。探索诱导式教学方法在《光电子技术》课程的新模式和多元化的考核评价标准,把光电基本概念和基础知识与当前光电信息产业的发展现状相结合,使学生较好地掌握所学知识,把握知识点的学术前沿,为学生的进一步学习和发展打下坚实的基础。 作者简介:张艳(1983―),女,汉族,博士,安徽工程大学电气工程学院,讲师。 光电子论文:光电子专业综合训练实践教学模式初探 [摘 要] 结合学科专业特点,积极探索专业综合训练实践教学模式。基于CDIO理念推进工程技术应用型人才培养模式的构建,提升实践教学占本科教学的权重。以燕山大学信息科学与工程学院光电子专业的专业综合训练为研究对象,从专业综合训练的目的与意义出发,对现行的专业综合训练内容――反射式光纤位移传感系统和训练形式进行阐述,同时也对专业综合训练改革进行探索与尝试,旨在为相关专业本科实践教学的开展、高素质人才培养提供有益的参考。 [关键词] 光电子专业;专业综合训练;反射式光纤位移传感;实践教学 0 引言 光电子专业是以光电信息工程理论与技术为特色的信息类专业,致力于培养融合光、电、信息和计算机等学科的复合型人才。在光电信息工程专业教学中,专业综合训练作为一个必修实践环节,是加强学生工程训练的重要手段,对培养学生的创新精神和实践能力不可或缺[1]。同时,也是贯彻CDIO理念的重要方式[2]。发达国家的工科院校十分重视对学生工程实践能力的培养,如要求学生在工厂进行32个月的生产实训,几乎占整个大学学习时间的1/4;而日本明确提出:工科院校4年教育要始终围绕工程和联系工程实际进行。与发达国家相比,国内工科院校在实践教学尤其是工程实践教学方面存在明显差距,普遍存在着“课程设计简化、毕业设计软化、专业综合训练与生产实习形式化”的现象[3]。太原科技大学光信息科学与技术专业的专业实验是将专业课实验去掉,形成一个64学时的专业综合实验课[4]。高朋等人介绍了沈阳师范大学在课外开放实验与实践活动中进行专业实践模块,与专业实验课程互为补充[5]。陈顺芳等人就咸宁学院光电信息实验与实践平台的构建进行了详细的阐述[6],具体实施也是以课外开放实验的方式进行。 专业综合训练起着从课本理论知识向专业实践能力过渡的桥梁作用,轻视这一教学环节会使学生走向社会后的适应性降低及适应周期加长。因此,提高对这一教学环节重要性的认识,加大对其的投入,加强对该教学环节的建设,对保证这一教学环节有力、有序、有效地开展,具有极为重要的意义。鉴于此,本文针对光电类专业综合训练实践教学目的、内容、模式等方面进行初步探索与研究。 1 专业综合训练的目的与意义 光电子专业综合训练的目的在于,使学生掌握电子技术和光学基本理论,了解光学原理、光电检测技术及检测仪器在生产实际和科学研究中的应用情况;使学生对光源、光电探测器与传感器等方面的知识有更进一步的认识和掌握。专业综合训练是安排在大四的一项教学实践环节,是在学生学习了本专业的全部专业基础课和专业课后进行的。通过专业综合训练,拓宽学生的知识面,增加感性认识,培养学生进行调查研究、分析和解决工程实际问题的能力,为将来的工作打下坚实的基础。 2 燕山大学光电子专业综合训练内容与模式 燕山大学信息科学与工程学院光电类共有5个专业实验室、1个教学示范中心和1个光电类实践教学基地,基本上能满足7个教学班级的实践活动。专业综合训练通常是选择一些难度适中、具有较强应用背景的题目来进行仿真生产。早在2005年就设置了为期1周的专业综合实验,曾先后进行过“CCD综合实验”、“光纤F-P干涉仪”、“光纤亮度测温仪”等实验,由于学时较少,所以还是以“设计型”实验为主。随着教学改革逐年深入,实践教学日益受到关注,教育部启动了“卓越工程师教育培养计划”试点,引入了国际工程教育改革的最新成果――CDIO工程教育模式与理念,所有这些都推动了燕山大学的实践教学改革,专业综合实验学时由1周增加到2周,到2012年增加到4周。这项实践环节主要是在校内专业实验室进行,这一点有别于生产实习。 训练内容为设计制作一光纤位移传感系统,属于反射式强度调制光纤传感器,是一种非功能型光纤传感器。利用待测物理量引起光强变化,通过检测光强的变化实现对待测物理量的测量,如位移、压力、振动、表面粗糙度等。反射式光纤探头如图1所示。光纤探头A由两根光纤组成,一根用于发射光,一根用于接收反射体反射的光,R是镀膜的反射体。 系统装置的原理框图如图2所示,MCU采用宏晶公司的STC12C5A60S2。实现数控恒流源来驱动LED/LD发光,采用AVAGO公司的T-1527作为光源,探测器采用与之匹配的R-2526,反射光强经过信号处理后进行A/D转换,最后在LCD1602显示屏或者数码管上显示出来。载有光纤探头的二维位移调节架可以记录其位移,这样便可以得到位移与反射光强的关系,记录多组数据便可绘制出反射式光纤位移传感的调制特性曲线,如图3。由图3可知,不同驱动电流下的调制特性曲线都在相同位置出现极大值,当位移小于极大值时,为递增函数,称之为“前坡”,反之为“后坡”[7]。系统可工作在这两个区域中,即“前坡”工作区和“后坡”工作区。可以看出,当在“前坡”工作时,可以有较高的灵敏度;当在“后坡”工作时,可以获得较宽的动态范围。图4为系统仪器的照片。 3 专业综合训练的实施形式 专业综合训练的实施形式是保证训练成效的重要前提。图5为专业综合训练的流程图。学生在校内专业实验室进行查阅文献、设计、元器件选择、原理图绘制、PCB板的制作、光纤组件的设计与制作、焊接、硬件调试及其软件编写、文档撰写等工作[3]。 首先,领取任务书,由指导教师将训练内容与要求以书面形式发到每个学生手中。教师讲解训练内容、目的和一些具体要求。此部分既要让学生明确训练的总体目标,更要让学生有明确的阶段性小目标,让学生清楚如何查资料、应该查什么样的资料、要实现什么目标。 其次,查阅文献资料,根据任务书的要求进行电路设计、光学组件设计。以往给学生留出时间查阅文献资料,只有小部分学生能按要求完成,效果不理想。针对这一弊病,采取了分小组汇报设计方案的形式,每3人1组以PPT形式汇报本小组的设计方案,同时指导老师给出评价。该部分内容占学生成绩的一部分,从而极大地调动了学生查阅资料的积极性和效率。 再次,原理图与PCB板图的绘制,让学生熟悉专业的绘图制版软件,并熟悉电路板设计制作的流程。考虑到PCB板的制作成本、生产周期和后期调试问题,并不把学生的版图拿去工厂进行加工制作,而是在学生设计后期将已做好的PCB板及对应的版图资料一起发给学生。通过对比、改进、总结,让学生发现设计中的不足,掌握布局布线的方法与技巧。接着是电路板的焊接与调试。一方面让学生掌握各种封装形式元件的焊接工艺及技巧,另一方面更要让学生掌握硬件调试,包括电性能测试和一些简单的测试程序来评估硬件及其焊接工艺的优劣,从而让学生充分认识到调试在整个系统设计中的重要地位。 此外,给学生的光纤组件基本都是半成品,要让学生制作光纤接头。由于系统采用的是粗芯塑料光纤,加工制作的工艺要求比较低,学生在教师的指导下基本都能完成并达到要求。 软件编写,由于学生已进行过单片机课程设计,对C51单片机编程已具备一定的基础,所以这部分内容主要体现在功能实现上。要求实现既定基本功能,当然也鼓励学生进行功能拓展,充分利用MCU内部资源和硬件电路板的各个模块。经过3天的软件编写,发现大部分学生都能实现要求的基本功能,有相当一部分学生对系统进行了各种各样的扩展,效果甚至超出了老师的想象。对于一些编程能力差的学生,老师将软件功能拆分,指导其分步分块实现,尽可能地激发其编程热情,使其缩小与其他同学的差距。 系统性能综合测试,除了要求学生绘制出不同驱动电流下的反射式位移传感器的调制特性曲线外,还要求学生测量光源的P-I特性曲线等。进行系统调零、增益调节等功能测试,并评估仪器性能参数。 最后,文档撰写,以往学生容易忽视文档撰写的重要性,互相抄袭、东拼西凑现象时有发生。为了避免此类情况的发生,教师在训练之初就反复强调文档在整个系统设计中的重要性,并将文档撰写的质量作为评定成绩的一个重要依据。 4 专业综合训练模式探寻 不断探寻专业综合训练的新模式,是深化本科实践教育的需要,是培养学生实践技能、综合素质的重要保证。燕山大学信息科学与工程学院光电子工程系对专业综合训练的模式进行了初步探寻,具体包括以下几个方面。 1)在内容上选择与定位一些综合程度比较高的题目,通常以一个具体的光电产品为载体,并且该产品在行业中具有一定的代表性,与当前主流光电产品特征相近且与专业知识背景密切相关,使学生在光学、电子、机械设计和计算机应用等各方面都能得到综合锻炼。这就要求专业综合训练与前期大学本科三年所学各科课程有较好的知识点衔接,既包含如应用光学、物理光学、光电子学、光电信息检测、光辐射、光学材料、光学制造工艺、光学测试等光学类主要专业课程知识运用,也要包含如光学精密设计、光学机械CAD、数字和模拟电路及电子设计自动化工具的运用,还要覆盖微机原理与接口技术、软件基础、程序设计等计算机方面的知识运用,使学生在最大的知识范畴内得到充分的发挥和锻炼。 2)研发与设计过程满足“大过程”特征,体现在尽可能多的覆盖产品制造链上的步骤和过程,让学生对产品选型、市场定位、经济和技术可行性分析、论证、设计、仿真、加工、装配、测试检验、分析评估等环节和步骤都有感性经历和体会。 3)在实施过程中必须能够让每个学生都担当企业工人、技术员、管理员等多重角色,人人动手,充分参与生产、研发设计的每个环节。 4)开辟校内专业综合训练基地或工程训练中心。自2005年以来,分别在燕山大学特种光纤研发基地和光电类实践教学基地进行过实习与训练。 5 结束语 专业综合训练是学校实践教学的重要组成部分,是教育教学体系中一个不可缺少的重要环节。专业综合训练是培养技能型人才、实现培养目标的主要途径之一。它不仅是课程教学的总结,更是课程教学的延续。实践教学如何满足社会的需求是近几年各高等院校共同关注的焦点,探讨实践教学改革的思路,有利于推进人才培养进程。 光电子论文:电子科学与技术专业的光电子材料与器件课程教学方法研究 摘 要:该文阐述了光电子材料与器件课程在电子科学与技术专业教学中的重要地位,并根据笔者自身的教学经验,讨论了电子科学与技术专业教学中光电子材料与器件课程的理论教学和实验教学的内容、教学形式、课时安排与教材选择等。 关键词:电子科学与技术 光电子材料与器件 理论教学 实验教学 电子科学与技术(以下简称“电科”)专业是以培养具备微电子、光电子、集成电路等领域宽厚理论基础、实验能力和专业知识,能在电子科学与技术及相关领域从事各种电子材料、元器件、集成电路、电子系统、光电子系统的设计、制造、科技开发,以及科学研究、教学和生产管理工作的复合型专业人才为目标的工程专业。作为电科专业教育中重要内容的光电子技术,不仅是当代信息技术两大支柱之一,而且随着现代科学技术的发展持续焕发着生命活力。而让光电子技术保持如此强劲发展势头的主要原因之一,正是光电子材料与器件的广泛应用,例如激光器与新型光电探测器的应用的人你还。另外,诸如纳米光电材料与器件、光子晶体及相关器件、超材料及相关器件与表面等离子体激元及器件等新型光电子材料与器件的研究与应用,是目前国际上光学与光电子学研究领域的前沿热门方向。由此可见,学习光电子材料与器件的相关知识,不仅对电科学生知识体系的构建与就业方向的确定具有积极的影响,也为那些将来希望从事新型光电子材料与器件科研工作的学生,提供了坚实的理论基础与知识储备。然而,根据笔者的调研,虽然国内许多重点大学的电科专业都开设了光电子技术课程,但很少有大学专门开设光电子材料与器件这门课程。而由于光电子技术的内容多、涉及知识面广,教学课时又往往有限(一般为32或48个学时),因此在光电子技术的实际教学过程中,讲授教师往往重视光电子技术基本概念与理论知识的教学,而轻视光电子材料与器件的教学。该文从光电子材料与器件的研究内容、应用及发展等方面说明其在电科专业教育中的重要性,并结合自身光电子材料与器件课程的教学经验,研讨电科专业中光电子材料与器件的教学方法。 1 光电子材料与器件简介 光电子材料是指能产生、转换、传输、处理、存储光电子信号的材料。光电子器件是指能实现光辐射能量与信号之间转换功能或光电信号传输、处理和存储等功能的器件。自1960年美国科学家梅曼发明世界上第一台红宝石激光器以来,光电子材料与器件如雨后春笋般发展迅速。在短短的50多年里,光电子材料与器件经历了从红宝石激光器的发明,到半导体激光器、CCD器件及低损耗光纤的相继问世;从各种光无源器件、光调制器件、探测与显示器件的小规模应用到系统级集成制造实用化阶段;从大功率量子阱阵列激光器的出现再到光纤激光器、光纤放大器和光纤传感器的诞生。光电子材料与器件从未停止过发展的脚步,并正在不断深刻影响着人类社会的方方面面。在实际需求的引导下,各种新型光电子材料与器件层出不穷,性能也不断提高。尤其是近年来,随着微米及纳米级加工技术的成熟,新型的微纳光电子材料与器件的研究异常活跃。纳米光电材料、光子晶体、超材料、表面等离子体器件等领域的研究成果丰硕,为未来光电子器件的微型化、集成化发展奠定了坚实的基础。 综上所述,光电子材料与器件在当代信息产业与科学技术中具有极其重要的地位,因此,光电子材料与器件这门课程不仅应当单独作为一门课程独立教学,而且应该作为重视工程教育的电科专业的优秀课程。 2 光电子材料与器件课程教学研究 2.1 光电子材料与器件课程的教学形式、课时安排与教材选择 光电子材料与器件课程不仅包含丰富的理论知识,例如光电子材料的物理特性以及光电子器件的工作原理等,而且与实际应用结合精密,因此,本课程宜采取理论教学与实验教学相结合的教学形式。 在课时安排方面,作为电科专业的一门优秀专业课程,光电子材料与器件课程的总课时应不低于32学时(2学分),理论课学时不低于26学时,实验课不低于6学时。 另外,在教材选择方面,由于光电子材料与器件是光电子技术中的一部分内容,而目前国内关于光电子技术方向的参考书籍很多,其中亦不乏一些光电子技术课程的经典教材,例如西安电子科技大学安毓英主编的《光电子技术》[1],西安交通大学朱京平主编的《光电子技术基础》[2]等。虽然这些光电子技术参考书中或多或少都会介绍与光电子技术相关的材料与器件,但是,目前专门介绍光电子材料与器件方向的教科书却是少之又少,市面上仅有国防工业出版社2012年出版的侯宏录主编的《光电子材料与器件》[3]一书。加之,该书中所涉及的理论知识较深,基础浅薄的本科生很难驾驭。由此可见,对于光电子材料与器件这门新兴课程而言,设立统一的教材并不合适。因此,笔者建议该课程的讲授教师根据理论教学与实验教学的内容,自行编写该课程的讲义与课件。 2.2 光电子材料与器件课程的理论教学 按照电科专业的专业定位以及培养目标,光电子材料与器件课程的理论教学也应该突出“工程”内容。传统的光电子技术教学中所重视的原理、定律与规律等内容,在光电子材料与器件教学中要弱化;而传统光电子技术教学中往往被弱化乃至忽视的光电子材料与光电子器件的相关知识,要在光电子材料与器件课程教学中占主体地位。如此才能保证在有限理论课时的前提下,让学生对光电子材料与器件有一个全面的认识。 在教学内容的设置方面,由于光电子材料与器件主要应用于光电子技术之中,因此,为了便于学生的理解与知识体系的构建,笔者建议光电子材料与器件课程理论教学的章节设置按照光电子技术的章节设置进行。以笔者讲授光电子材料与器件理论课程(共26学时)为例,该理论课程共被分成了绪论(2学时)、激光原理与典型激光器(5学时)、太阳能电池(4学时)、光通信器件与材料(5学时)、光探测器件(5学时)、光电显示器件(3学时)与光存储器件(2学时)等七个章节,这七章内容基本囊括了光电子技术中光产生、光转化、光传输、光探测、光显示以及光存储等各个重要环节中最为典型的器件以及所用到的材料。另外,在每章内容的设置上,也尽可能突出“工程”内容,弱化“理论”知识。下面,笔者将详细介绍笔者在光电子材料与器件教学中各章的教学内容。 第一章绪论主要包括光电子材料与器件课程简介以及光电子技术的基本知识简介。在光电子材料与器件课程简介中,向学生介绍课程设置的目的和意义、课程的主要内容、教学与考试方式与参考资料等。通过这部分内容的介绍,让学生对本课程的意义、内容、侧重点有一定的认识。在光电子技术基础知识简介中,重点向学生介绍光电子材料与器件与光电子技术的关系,并通过对光电子技术的概念、特征、发展等方面的介绍,让学生对光电子技术以及光电子材料与器件有一个整体的认识。 第二章激光原理与激光器重点介绍几种典型激光器的材料、结构与工作特性,其主要内容包括三个部分:激光原理简述、典型激光器与激光器的应用。在激光原理简述部分,由于多数电科专业在学习光电子材料与器件课程之前已经修过激光原理等类似课程,所以该部分内容为简略介绍的内容,主要帮助学生回顾激光的特征、历史与光辐射理论等知识点。而第二部分内容典型激光器是本章内容的重中之重,在该部分内容中,将依次向学生介绍固体、气体、液体与半导体这四大类激光器中的典型激光器的结构、特征与工作特性等知识。由于发光二极管与半导体激光器结构与工作原理上的相似,在介绍完半导体激光器后,可以顺理成章地介绍发光二极管的结构与特征。另外,本章最后还简单介绍了激光器的几种常见应用。 太阳能电池虽然是光电探测器中光伏效应的一种特殊应用,但是由于它在现如今光电子技术产业以及光电子器件中的重要地位以及良好的发展趋势,该部分内容被独立成一章。在第三章太阳能电池中,主要分两小节给学生介绍,第一小节介绍当今能源与环境问题以及太阳能的开发和利用,让学生了解当今能源资源的现状以及新能源研究与应用的迫切需求,然后介绍太阳能利用的历史以及发展趋势;第二小节正式介绍太阳能电池的工作原理、结构以及特性等知识。 第四章光通信器件与材料主要介绍的是光通信系统中所用到的有源与无源光器件。本章内容共分为两小节:第一小节介绍光纤通信的基础知识,包括光纤通信的定义,光纤的结构、导光原理、发展历史,以及光纤通信系统的组成与特点。第二小节正式介绍光纤通信系统中所用到的各类光电子器件以及构成这些器件的优秀材料。在光纤通信中,最重要的器件当属光纤,所以,本节开始就着重介绍光纤的相关知识,包括它的结构、原理、分类、特征参数与传输特性。然后,又将光纤通信系统中的其它光电子器件分为有源与无源器件两类,并分别介绍了这两类光器件中的代表器件:掺铒光纤放大器与波分复用与解复用器。最后,在本章结尾还介绍了光纤通信系统中其它几种常用光器件,例如光耦合器、光衰减器、光环行器等。 第五章光探测器首先介绍了光电探测器的物理效应、性能参数、噪声;其次,按照光电探测器物理效应的不同一一介绍了几种典型的外光电效应探测器(光电管与光电倍增管)与内光电效应探测器(光电导、光电池与光电二极管)。教学的重心仍然放在对探测器结构、工作原理以及特性等方面。 第六章光显示器件重点介绍四种光显示器:阴极射线管、液晶显示器、等离子显示器与电致发光显示器。 第七章光存储器件主要介绍了现如今最常用的一种光存储系统―― 光盘系统以及其中最总要的器件光盘。 2.3 光电子材料与器件课程的实验教学 光电子材料与器件实验课程的教学要与理论教学紧密相连,并重点介绍理论课上讲解过的光电子材料与器件,实验课程的学时应不低于6学时,开设的时间最好在理论教学完成之后,以保证学生在实验前已对实验器件与实验原理有一定的了解。在实验项目的设定方面,既要保证与理论课程内容的相辅相成,又要尽量避免与其它课程实验项目的重复,造成资源的浪费。例如,许多大学的电科专业都已经将激光原理一课作为该专业的优秀专业课程,并配备了相应的激光器实验。在这种情况下,如果在光电子材料与器件实验教学中再次引入激光器的实验内容,不仅消耗了宝贵的实验时间,实验效果也会大大降低。 下面跟大家简单介绍笔者在光电子材料与器件实验教学(6学时)中的实验安排。 (1)实验内容:共包含六个实验项目,它们分别是:光控开关实验、光照度计实验、红外遥控实验、PSD位移测试实验、太阳能充电实验与光纤位移测量系统实验(每个实验1学时)。各实验中都应用到了一个或几个优秀光电子器件,这些光电子器件基本涵盖了学生在理论课程中所学到的最为重要的几类器件,例如光控开关实验应用到了光电探测器中的光敏电阻作为优秀元器件;而红外遥控实验中用到了发光二极管光源与红外探测器等光电子器件。 (2)实验要求:以往的光电子技术实验往往重视现象的观察与定性分析,但经笔者调研,这种实验方法很难最大限度激发学生的求知欲与动手能力,因此,在对原有的实验指导书进行改良后,笔者自行编写了实验的指导书,并在每个实验项目中加入了一些测量与定量分析的实验内容。例如太阳能充电实验,原来的实验指导书只是观察太阳能充电的效果,但是,在新改良的实验指导书中,要求同学测量不同光源照射下太阳能电池的输出电压与输出电流,并要求学生分析比较其差别。通过这种方式,充分调动学生的实验积极性,在具体的实验教学中也取得了很好的效果。 (3)实验方式:分组实验,共同撰写实验报告。这样,不仅提高实验效率,还能够锻炼学生的团队协作意识。 (4)考核方式:根据每位学生实验完成的情况与实验报告撰写的情况综合评分。 3 结语 光电子材料与器件在信息产业的发展与现代科学的研究中都具有举足轻重的地位。它不仅是电科专业知识体系中的重要环节,也为电科专业学生提供着良好的就业竞争力与科研基础。本文通过对电子科学与技术专业特点与光电子材料与器件课程内容的分析,讨论了光电子材料与器件在电科专业教育中的重要性,并根据笔者自身的授课经验,提出了光电子材料与器件在电科专业中的教学形式、课时安排、教材选择以及理论与实验课程内容设置的一些意见与建议。 光电子论文:光电子技术教改探索 摘 要:光电子技术课程是一门理论和实践紧密结合的重要课程。针对我院实验课程的欠缺,我们进行了此项教改工作,希望这次改革成果能给本专业老师的教和学生的学带来益处。 关键词:光电子技术 虚拟仪器LabVIEW 光电实验 教学改革 光电子技术课程是一门理论和实践相结合的一门课程。但我们学院自从2003年开设光电子技术课程以来,由于因教学条件所限,该课程主要强调理论,实践教学内容很少,到目前为止还没有专门的光电子技术实验室。这种情况下或多或少会影响到学生对本课程内容的理解和应用。可见,我们学院的光电子技术课程教学改革势在必行,特别要把实验环节的教学提到日程上来。 1 改革理论课程 1.1 教学内容改革 光电子技术课程是我们学院光信息科学与技术专业和应用物理两个学科的专业课,最初选择的教材不太合适,经过两次调整,最终选定高教出版社张铁林主编的《光电子技术》的和科学出版社朱京平主编的《光电子技术基础》两本书作为我们的指定教材。光电子课程是我院光信息和应用物理两个专业的学位课,原来把两个专业设置的课程内容是完全一样的,但由于光信息开设了激光原理,所以教改中将这部分内容从光电子技术课程中删减掉,而应用物理专业由于开设了固体物理课程所以他们的光电子技术课程中晶体部分就不再讲解。 1.2 教学方法的改革 (1)提高教师自身能力和素质。要想把这门是理论与实践高度结合的课程落到实处,该专业的教师应主动吸收社会高水平的一线工程技术人员的经验,聘请优秀技术人员参与指导综合设计和创新实践活动,以此提高自身的素质。(2)建立以学生为中心的实践教学方法。以各类创新活动激发学生参与的主动性和积极性。注意将学生课外科技活动和教学体系结合起来,在学分承认下,既激发了学生学习和实践的积极性,又使科技活动取得了很好的效果。 2 引入虚拟实验教学 光电子技术是一门理论联系实践很强的一门课程。如果单单讲授理论而没能很好的配合实验和实践教学,最后学生学习的效果可想而知。遗憾的是由于经费有限,我们学院一直没能设立专门的光电子技术实验室。即使在光学实验中有涉猎光电的实验,但也都是一些非常简单的项目。基于以上情况,我们课题组进行了光电子技术虚拟实验教学的探索。这也是本次教学改革的重点。 2.1 虚拟实验平台的选择 所谓虚拟仪器(Virtual Instrument,简称VI),即将现有的计算机主流技术与革新的灵活易用的软件和高性能模块化硬件结合在一起,建立起功能强大又灵活易变的基于计算机的测试测量与控制系统[1]。近年来,世界各国的虚拟仪器公司开发了不少虚拟仪器开发平台软件,以便使用者利用这些仪器公司提供的开发平台软件组建自己的虚拟仪器或测试系统,并编制测试软件[2]。我们选用了国际上最早和最具影响的开发软件,即NI公司的LabVIEW软件和LabWindows/CVI开发软件。LabVIEW采用图形化编程方案,是非常实用的开发软件。除了编程方式不同,LabVIEW具有所有语言的特征,因此被称为G语言,即图形化语言。它与传统高级编程语言最大的差异在于编程的方式是图形编程方式即使用这种语言编程时,基本上不写程序代码,取而代之的是流程图或框图[3]。 2.2 基于虚拟仪器LabVIEW的光电实验可行性分析 课题组已成功虚拟了光敏电阻、光电二极管、光电池、光电倍增管等光电仪器的主要特性。虽然目前还没建立一套完善的虚拟光电实验平台,还会涉及一些不同的光电实验,但所有实验所需的仪器虚拟仪器LabVIEW本身完全可以通过提供控件来实现,所涉及的关系式完全可以通过LabVIEW本身提供的函数编程来实现。可见,建立一套基于虚拟仪器LabVIEW的完善的虚拟光电实验平台是非常可行的。 2.3 虚拟仪器LabVIEW虚拟光电实验的一般步骤 (1)熟悉所选实验的原理与内容。(2)虚拟出实验所需仪器。每个实验所需仪器并不一样,这里就需要自己来虚拟,好的是LabVIEW中提供了丰富的控件。设计者可以从中选择自己所需的控件来作为实验仪器,如果LabVIEW本身所带的控件中没有合适的,那么还可以创建自定义控件来满足实验的需求。(3)设计实验操作界面。实验操作界面是用户进行实验的平台,所以设计时要尽量体现出人性化,使所设计的界面简洁、美观、实用。(4)在LabVIEW中根据需要进行编程。LabVIEW中提供了丰富的功能强大的函数。这为设计者的编程提供了很大的方便。(5)调试并优化所设计的虚拟实验平台。在完成以上四步后,接下来就要检验所设计的实验平台能否正常运作。如果存在问题,可以根据需要进行修改和优化。 3 改革考核标准 在改革教学内容、教学方法特别是引进虚拟实验的前提下,改革考核方法是顺理成章的事情。我们必须建立与教学改革先符合的健全的考核机制,采取良好灵活的考核方式。这样才能使我们这次的教改真正得到落实。考核方式可采取理论考试、实验制作、动手能力等,从多角度综合评判。同时,光电子设计竞赛选拔和该课程的教学考核结合起来,进一步激发学生的学习和创新热情。具体情况如下。 3.1 理论课的考核要求 平时考核:主要包括作业质量、回答问题、考勤等项目;半期考试:主要包括学到半期知识内容,考察基本概念和理论的掌握情况,培养学生重视平时学习的习惯;期末考核:采用闭卷考试,全方位考察所学内容。分值分配为:平时20%,期中考20%,期末考60%。 3.2 实验课的考核要求 利用虚拟实验不受时间和空间限制的优势,学生完全可以做到提前预习,这样就可以加入考核预习情况的一个环节。预习报告:考核实验前的准备工作;操作:考察学生动手能力;实验报告:考察学生对实验数据的处理情况以及对实验的新认识。具体的分值分配为:预习20%,操做50%,实验报告30%。 3.3 实践创新考核 由于我院把光电子技术课程设为光信息和应用物理两个专业的学位课程,最后满学分才准予毕业。所以课题组拟改革后把实践创新正式作为附加成绩加入考核成绩中,学生所设计的作品分部级获奖,省级获奖和校级获奖三个等级分别记学分为0.5、0.3、0.15。 4 结语 本次教改的目的是以理论有机结合实验进行的,在本科第五学期完成光电子技术课程的教学,所授内容分为六大模块,由浅入深,由简入繁,注意学科交叉,注意技术性、综合性与探索性之间的关系,知识结构合理,理论和实际紧密联系的课程。最终目的是让学生能受益于此全新的教学体系。 光电子论文:浅析武汉光电子信息产业发展的机遇与挑战 [摘要]在经济全球化、信息化时代背景下,光电子信息产业作为一个新兴的高技术产业,对我国的经济发展和国际竞争力提高起着重要的作用。武汉光电子信息产业在迅速发展的同时,也面临着机遇与挑战。发展武汉光电子信息产业必须要充分运用自身的优势资源,抓住来之不易的机遇,不断迎接新的挑战。 [关键词]武汉;光电子信息产业;机遇与挑战 1武汉光电子信息产业发展历程 自我国首先在武汉东湖高新技术开发区创建武汉・光谷以来,光电子信息产业就作为武汉的四大产业之一开始迅速发展。近几年来,东湖高新技术开发区正对武汉国家光电子信息产业基地的基础设施建设进行全力推进,形成了一批以光纤通信、移动通信为主导,激光、光电显示、消费电子、集成电路等竞相发展的产业格局,而光电子信息产业也逐渐发展为武汉市四大主导产业之一。武汉光电子信息技术及产业水平在国内渐渐占据了领先地位,在全球市场上,武汉・光谷也成为了我国在光电子信息领域中与世界强国相竞争的知名品牌。发展到2010年,武汉的光电子信息产业已成为继武汉汽车产业后,第二个资产规模过千亿的产业。到2011年,武汉光电子信息产业总收入高达1440亿元,在世界产业集群中占到了一个举足轻重的地位。 东湖高新技术开发区在2009年光电子信息企业有800多家,总收入达到8356亿元,净利润高达525亿元,出口创汇约120亿元,从事光电子信息产业的人员近10万人。最近几年,武汉・光谷几乎承担了中国所有的光通信系统的建设和90%以上的国家863光纤通信项目。随着东湖高新技术开发区涌现出一大批拥有自主知识产权的光纤光缆顶尖技术和光电子元件制造技术,光纤通信技术与电视、电话、移动通信和互联网等一同进入了中国家庭。有关数据显示,到目前为止,武汉・光谷共生产光纤1518万芯公里,销售2077万芯公里,产销率高达1368%;共生产光缆722万芯公里,销售1242万芯公里,产销率高达172%。其中,长飞光纤产量仍稳居全球首位,光纤预制棒产量居世界前三位。特别是烽火通信光纤预制棒生产线投产,从此打破了国外对光纤预制棒技术的垄断,使武汉・光谷光纤产业的整条产业链被打通。 在这近十多年来的发展过程中,武汉・光谷的光电子信息产业在全球产业分工中逐渐占有一席之地。其光谷光纤光缆生产规模成为全球第一;光电器件在国内市场的占有率达到60%,国际市场的占有率达到12%;激光产品在国内的市场占有率也一直保持在50%左右。 2武汉光电子信息产业发展的机遇 (1)光纤入户活动的开展。随着时代的发展,信息的传播速度成为一个国家是否发达的一个重要指标,也对一个国家的经济发展有着重要影响。加快对光纤通信技术的构建,能够提高我国的国际竞争力。目前,我国正大力开展光纤入户活动,各省市的电信部门也在积极配合降低光纤费用,保证活动的顺利开展。国务院也在2012年5月23日发表声明,鼓励民资参与电信业,加快普及光纤入户。这次活动的展开,提高了我国对光纤光缆的需求,这对于以光纤光缆为主要研发方向的武汉光电子信息产业来说,是百年难遇的机会。 (2)信息基础网络更新换代。目前,我国正在实行两化融合和三网融合。两化融合是信息化和工业化的高层次的深度结合, 是指以信息化带动工业化、以工业化促进信息化,走新型工业化道路;两化融合的优秀就是信息化支撑,追求可持续发展模式。三网融合是指电信网、广播电视网、互联网在向宽带通信网、数字电视网、下一代互联网演进过程中,三大网络通过技术改造,使其技术功能趋于一致,业务范围趋于相同。而这两个融合活动的实行大力促进了我国信息产业的发展,这也为武汉光电子信息产业发展提供了巨大的内需市场和发展机遇。 (3)欧洲经济发展的动荡。欧洲一直以来都是传统的光电子信息技术强国,他们掌握着光电子的优秀技术、标准和品牌,并通过这些牢牢控制着全球光电子信息产业发展的主导权。然而在2011年,由于欧洲债务危机的爆发,致使欧洲的各行各业都受到不同程度的影响,其中就包括欧洲的光电子信息产业。而武汉光电子信息产业受到欧债危机的影响却很小,依然保持着30%增长速度平稳发展,武汉关电子信息产业可以趁此机会抢占世界光电子信息产业市场份额。 3武汉光电子信息产业发展的挑战 (1)周边国家的发展与崛起。在中国周围,一直以来都有着光电子强国对中国市场虎视眈眈,那就是日本、韩国和中国台湾。日本一直作为传统的光电子技术强国之一,它的光电子信息产业规模每年仍保持着递增的趋势,尤其是它的消费类光电子领域的地位,一直没有动摇。而日本也曾在半导体激光器、激光打印机、液晶显示器、光盘产业等方面在世界上处于垄断地位。光电子信息产业是日本增长速度第二快的产业,迅速的发展也使日本国内的市场不足以满足国内光电子信息产业的发展需求,于是它们将目光看向国外,尤其是与日本相邻的中国这样一个巨大市场。 韩国和中国台湾的光电子信息产业的崛起也渐渐威胁着国内的光电子信息产业市场。台湾每年对光电子信息产业的研发投入费用高达8%到10%左右,每年的总产业规模增长量在334%左右。而韩国光电子信息产业的平均复合增长率也达到了135%,高于全球市场的91%。到2010年,韩国的光电子信息产业总产值达到了25兆亿韩元。周边国家的光电子信息产业的发展与崛起是对武汉光电子信息产业发展的一个重大挑战。 (2)国内市场竞争激烈。在我国主要设有7个光电子技术研发基地,虽然每个研发基地都有重点研发的方向,但随着时间推移,研发的产品渐渐有了交集,致使国内光电子信息产业的市场竞争开始激烈。 中国光电产业代表性企业的区域分布城市技术领域代表企业所属产业基地武汉光通讯烽火、长飞中国光谷激光加工华工、楚天上海LED显示上海天马、蓝光张江、闵行、昆山光通讯上海长飞、阿尔卡特松江、潜河径激光加工飞利浦、大恒嘉定、松江北京LED显示京东方奕庄工业园光通讯组件北京中科嫁英半导体通州激光应用大恒中关村长春LED显示北方彩晶长春经开激光加工奥普光电、光华微电子深圳光通讯、 光储存华为、中兴、 长城、华强高科技园光电显示激光天马、康佳、创维大族激光广州光电材料、 光通信小企业居多经济技术开发区石家庄LED显示、 太阳能电池中电13所、河北晶龙宁晋县鹿泉开发区资料来源:王灏光电子产业创新网络的构建与演进研究华东师范大学博士学位论文,2009,(6) 从表中可以看出,大部分研发基地的研发产品有着趋同性,国内的光电子信息产业市场的竞争将会越来越激烈。 4加快发展武汉光电子信息产业的思路 (1)建立健全制度,强化政策支撑。一方面,政府应尽快出台为中小型光电子信息企业提供资金支持、拓宽资金筹措渠道的相关政策,让更多的企业能够参与进来,解决中小型的光电子信息企业融资困难的问题;另一方面,政府出台对中小型光电子信息企业的优惠政策,来保证武汉光电子信息产业的高速发展,鼓励境外科技人员和出国留学人员到武汉经济开发区创业,鼓励他们到开发区从事光电子信息产品开发和生产工作等。 (2)完善融资服务,加大投资力度。一方面,可以建立一种光电子信息产业融资平台,通过该平台来推进光电子优秀技术的发展,保证武汉光电子优秀企业研发投入力度,并引导政府加大对光电子信息产业风险投资领域的发展; 另一方面,完善光电子信息产业的中小型企业信用担保机制,通过政府制定的一系列优惠政策,鼓励对中小型企业的投资,解决中小型企业融资成本高、融资难的问题, 政府还应鼓励光电子信息企业融资上市,通过证券的融资功能,解决大产业规模发展融资困难的问题。 (3)强化创新能力,提高优秀竞争力。一方面,在制度上创新,进一步完善对东湖高新技术开发区的授权工作,重点建设武汉光电子信息产业一条龙服务,并以高起点和长远目标来规划和建设武汉科技新城,改善好企业之间的竞争环境,降低企业发展的社会成本;另一方面,在技术上的创新,在加强对基础研究的同时,我们还可以在国外设立专门的研发和市场机构,引进或消化吸收国外的相关先进技术,进一步提升武汉光电子信息企业的创新能力,不断完善创新激励机制,来提高武汉光电子信息技术的优秀竞争力,让武汉光电子信息技术力争站在国际光电子信息产业发展的最前沿。 (4)促进企业资源规划,应对市场挑战。在全球化的市场上,一个企业不仅作为当地企业的竞争对手,也作为全球同行业之间的竞争对手。在21世纪的全球竞争环境下,公司运用对企业资源的合理规划应对任何未来的挑战是势在必行的。在光电子信息产业迅速发展的现在,产业之间的竞争已经变得相当激烈。只有企业可以根据市场趋势及时做出正确的决定,才可以在激烈的竞争中维持其盈利能力,因此越来越多的光电子信息企业开始实施ERP(企业资源规划)系统,以提高他们的竞争力。武汉光电子信息产业为了能在这种全球激烈竞争的环境下生存,实施一个简单有效的ERP系统,对企业的资源进行整合规划是十分必要的。
光通信技术论文:数据中心光通信技术点滴谈 摘 要: 随着信息时代的到来,数据中心的流量已经占据世界通信网络流量的大部分。当前,光通信技术被广泛应用到数据中心,包括几米距离的服务器连接,也包括全球多地数据中心的对接。在本文中,笔者对数据中心的光通信技术进行了深入介绍,包括广域网、城域网、数据中心内部的光通信技术,在此基础上,笔者对相关领域中的技术方案展开探讨与比对。 关键词:数据中心 光通信技术 互联网技术 在当前社会中,互联网技术已经成为影响人们生活与工作的重要因素。在互联网上,无论是游戏娱乐,还是商务与社交,都会产生大量的信息数据,这些信息数据量正以指数级不断增长。大部分的互联网业务及相应的信息处理与计算都是在数据中心内完成的。在数据中心内,网络连接起成千上万台服务器,所有服务器共同协作,一起完成工作任务。截止到目前为止,光纤通信产业已经发展了50多年。1977年,首个商用光纤通信系统推出,其为45Mbit/s的容量,目前,单模光纤的容量已经超过了100Mbit/s,无论是长距离的信息传输还是短距离的信息传输吗,都能够见到光纤通信的身影。2008年,数据中心对于光纤的需求开始超越电信运营商,数据中心开始成为光纤通信的第一市场。 一、数据中心网络架构状况 一般来说,大型互联网公司数据中心网络架构涵盖广域网、城域网与数据中心内网。在广域网的作用下,世界各地的数据中心能够有效连接起来。根据架构方面的不同,可以进步将其划分为外部通道进入的数据中心与公共互联网进入的数据中心。为了避免出现用户体验差、访问延时等问题,网络运营商会在用户集中点周边构建起POP点,从而借助专线而与数据中心对接。 通常某一地区的数据中心由多个稻葜行墓餐构成,这样能够满足备份的需求,同时也便于构建起超级化的虚拟数据中心,单个数据中心建设起来比较简单,借助城域网,这些数据中心能够有效对接。对了应对延时等问题,各个数据中心的距离应控制在80km内。 在各个数据中心内部,有成千上万台服务器在工作,这些服务器借助内网而有效连接。数据中心的服务器一般具有可扩展性,能够增加服务器的数量,并且无须改变网络架构。在实际网络设计中,成本是必须要考虑的重要因素,在架构设计的过程中确保成本与性能平衡。就目前来看,多数数据中心都运用多层结构,网络架构呈现出扁平化的发展趋势。 二、广域网下的光通信技术 光通信技术在长距离传输中具有显著优势,其能够支持两点间的大宽带信息传输。在早期,该技术主要被应用于长途干线网。在长距离信息传输中,首要解决的问题是光纤损耗、光纤线性损伤与非线性损伤。目前,干线传输网中的最重要技术就是数字相干光通信技术,在这种技术的应用下,接收机的灵敏度得到了显著提升。其借助正交香味与正交极化方向来对信号进行调制,在强度方面由一维增加到四维,频谱效率有很大提升。在使用数字信号处理技术来处理发射与接收时,会带来一定的损伤,可以在电领域中借助数字信号处理技术进行补偿,从而使得整个系统的设计与管理更加简单化。系统容量也与香农极限更为接近。在陆地与跨洋系统中,SD-FEC技术与光放大器技术的应用使得无电中继传输距离能够达到3000km与10000km。随着网络流量的不断上升,但借助硬件已经难以满足用户的需求,尤其是光纤传统容量已经要达到香农极限了。只有将软件与硬件有效结合,才可以在广域网内构建起具有开放性的光传输网,从而提升整个网络效率。 三、城域网下的光通信技术 从增长速度来看,城域网要比干线网络的流量增速快很多,城域网将发展为光通信的第一市场。数据中心的城域网和电信运营商的城域网有显著不同。前者的节点比较少,业务也单一化,多采用点对点的传输系统,然而由于对数据传输的需求非常大,所以对容量也有着极高的要求。作为当前最热门的研究领域,数据中心城域网得到了学者们的广泛关注。在检测技术方面,能够划分为相干检测与直接检测,相干检测运用的是数字相干光通信技术,与广域网内的相干光通信技术极为相似。然而由于传输距离非常短,所以能够被有效简化,比方说采用低廉的硅光器件、HD-FEC等。在直接检测方案中,则有多种技术,如OOK技术,其对器件的带宽有很高的要求,并且对光纤色散匹配有着非常高的要求。针对此,人们使用高阶强度进行调制,如四电平幅度调制等。DMT技术在直接检测中也有着广泛的应用,其其实为多载波技术的一种,对各个载波运用不同的调制格式,能够最大限度地优化整个信道的频谱效率。城域网数据中心光互联采用交换机与路由器而实现。最近几年来,一种新的设备形态出现,交换机与路由器能够直接出采光,也就是说将彩光光模块直接植入到交换机或路由器中。 四、数据中心内的光互联技术 在数据中心内部,各个链路的距离都非常短,最多也不超过几百米。即便是超大型的数据中心,也很少有超过2km的链路。然而随着信息数据量的增加,以往的铜缆难以满足实际工作的需要,大部分的数据中心都开始采用光互连技术。由于距离非常短,光纤铺设起来非常容易,且多运用平行链路,这样互联的速率得到有效保障。在发射处。信号被分割成为多个平行的通道,在驱动电路的作用下,能够借助光纤实现传输,抵达接收端,再转换为电信号。随着以太网技术的提出,光通道速率得到了进一步提升,成本与功耗都较之前低很多。在交换机速度提升的过程中,电子走线会给信号带来很大损伤,针对此,可以将光模块植入交换机中,形成板载光模块,这样能够有效地避免信号损伤,并提升面板的密度。无论是板载光模块还是光电集成模块,均对器件有着非常高的要求,一旦出现问题,需要更换整个交换机电路板。 五、结束语 在本文中,笔者对广域网、城域网与数据中心内网中光通信技术的应用情况进行介绍。无论是远距离传输,还是近距离的连接,光通信技术都成为重要的信息传输载体。对于未来的数据中心来说,光通信技术将直接影响其发展走向。提升光传输通道的容量与效率将是提升整个数据中心运作效率的重要路径。 作者简介:陈卓(1975.4-) 男,籍贯:广西,大学本科,工作单位:中国移动通信集团广西有限公司,研究方向:云计算 数据中心 信息安全。 光通信技术论文:关于光通信技术在电力通信系统中的发展应用 【摘要】:随着经济的发展与社会的进步,尤其是人们生活水平的日益提高、对于用电量的需求日益增大。而光通信技术对于促进电力体统的发展具有重要的作用。本文主要就光通信技术在电力通信系统中的应用意义及应用方法两个方面的内容展开论述。 【关键字】:光通信技术;电力通信;系统应用;意义;应用方法 引言 电力系统是一个集发电、变电、输电、配电为一体的复杂的系统。为了对电力系统进行科学高效的管理,我国现在正在推动智能电网的建设。而智能电网其中一项重要的内容就是智能化的电力通信系统。这个智能化的电力通信系统具有网络化、信息化、一体化、高效化的特点,对于保障电力运行系统的安全和高效管理具有重要的意义。因此、我们需要运用具有现代化的方式进行电力通信系统的建设。而光通信技术就是这样一个具有科学化、现代化的技术。所以,我们需要对于光通信技术在电力通信系统运用的意义及应用的方法进行科学研究。 1、光通信技术在电力通信系统中的应用意义 现在我国主要应用的是一种新型的ASON光通信技术,它是集传递信号与交换信号为一体的一种技术,对于保障电力通信系统的安全、处理各种线路问题提供了有力的技术支持。除此之外,这种新型的光通信技术还具有网络布置的优点,可以有效的提高我国光传输电网的应用功能与应用质量,全面的为广大的用电群体提供更好的服务。 2、光通信技术在电力通信系统中的应用方法 2.1制定科学的组网方案 光通信技术在电力通信系统中的应用方法是制定出科学的光通信组网方案,实现光通信技术的有效应用。具体的方案主要有两种。第一种方案,利用现代的网络通信技术进行对于目前使用的电力传输网络进行科学化与标准化的改进,融入先进的光通信技术、比如:ASON技术,实现科学化现代化的电力网络通信的建立与完善,形成良好的电力通信系统,全力保障电力的科学运行。第二种方案,利用现代的网路科技对于目前应用的网络传输平面进行网络化的升级与改造,全面的保障电网的有效运行。总之,电力工作人员需要从实际出发、具体问题具体分析,对于需要进行光通信技术应用的地方进行权衡利弊的科学规划,创建一个高效的网络电力通信系统运行模式。 2.2精心挑选光通信技术设施设备 精心挑选光通信技术设备设施也是进行光通信技术在电力通信系统中应用的一个重要方法。目前我国主要进行光通信技术设施设备生产的厂家有华为公司、中兴公司。我们进行现代化、标准化的光通信技术的网络应用,需要从这些知名公司生产的优质产品中进行设施与设备的挑选,以保障质量与应用的要求。同时,进行这些设备与设施的挑选时需要注意以下几个方面。第一,设备设施的网络节点槽位数量规模要很大,总线路带涉及的范围要很广。第二,设施设备要具有良好的安全性能与通用性能,为今后的智能化电力通信系统的建设提供有力的保障。第三,电力工作人员对于卡板的挑选要使其可以保障现阶段工程的要求。第四,卡板要具有热备份的功能。第五,光通信技术应用的设备设施要与低阶业务交叉调度项目的基本要求相适应,保障这些设施设备可以投入到正常运行。第六,在电力通信系统中,多方向线路的应用要尽量在多个业务卡板中,使整个的业务运行出现事故的概率大大降低。 2.3进行高效的业务规划分析 光通信技术在电力通信系统中应用的又一个方法是进行高效的业务规划分析。首先,进行高效的业务分析与规划,拉近业务与业务之间的距离。其次,进行科学的规划、使网络跳数出现的次数要少。再次,进行有效规划、保证网络负载均衡。最后,对于光通信技术的应用情况进行有效的观察与监督,使规划分析的业务与实际的落实情况一致,最大限度的保障光通信技术的功能得以有效发挥。同时,对于光通信技术的应用进行高效规划,对于促进我国经济的发展与保障人民的用电需求也具有重要作用。 3、光通信的发展技术 3.1SON技术 所谓的ASON其实和其它的光信息网络体制一样,就是利用ASON技术来完成信息传输的新型网络。其技术优秀是,在光传输信息网络平台上利用ASON技术进人控制平台,以实现网络资源的实时分配计划和按需分配计划。简答的来说,它是一种具有交换功能的新时代电网。ASON技术是可以进行网络连接和自动交换功能的新一代光网技术。传统的网元只具有两个层面:设备层面、网管层面。而ASON加你个控制层面引人其中构成了三个层面。并且将网管层面功能转移到控制层面,采用了分布式的控制将传输、数据和交换结合起来。 3.2OTN 技术。OTN技术是在对SHD技术的借鉴之上,引人了开销理念。在其中OTN技术定义了三个光层概念:OCH、OMSN、OTSN。定义了域内和域间的网络接口。运用了FEC技术增强了线路容差。WDM基A下的OTN技术拥有一套完善的体制结构,其体制内容包括:第一,规定OTN机制下的光层与电层具有网络生存机制。第二,对所有客户进行任意的透明传输。第三,提供FEC纠错能力。第四,OTN技术下的网组具有分级管理特征,对各个层级都具有特定的管理体制。 3.3EPON技术的组网方式 EPON技术的组网方式的组网方式主要是对局端和分散器的连接方式进行改变。其中将局端和分散器的连接方式变为一条光纤,这样减少了局端到用户之间不必要的成本并且提高了传输效率。利用EPON技术的组网方式拥有着维护简单、供高带宽、网络覆盖面积大范围广、网络可靠性高及简化网络乘此的特点。 结语 对于光通信技术在电力通信系统中的应用问题进行科学的研究与实施,可以有效地促进电力通信系统朝着现代化、科技化、信息化、一体化的目标迈进,保障我国智能电网的建设与完善。 光通信技术论文:这些年的光通信技术 近年来随着智能化的发展,一大批企业纷纷涉足通信行业,希望在通信市场中分得一杯羹。随着越来越多的通信企业对行业应用领域的不断发掘与拓展,各类前沿通信技术正在逐渐进入人们的日常生活。 5G信道编码技术 静止和移动场景、短包和长包场景的外场测试增益稳定性能优异,与高频毫米波频段上的组合测试实现了高达27Gbps的业务速率。5G要实现的10Gbps甚至20Gbps的峰值速率、千亿的连接、1毫秒的时延能力,必须以革命性的基础技术创新来提升网络性能。 高效信道编码技术以尽可能小的业务开销增加信息传输的可靠性,信道编码效率的提升将直接反映到频谱效率的改善。构造可达到信道容量或者可逼近信道容量(Shannon限)的信道编码方法,以及可实用的线牲复杂度的译码算法一直是信道编码技术研究的目标。 芯片光传输 频宽密度增加10至50倍研究 半导体技术的精进让芯片可执行更多运算,但却无法增加芯片间通讯的频宽。目前芯片传输所消耗的功率已超过芯片功耗预算的20%,这项新技术在低功耗的情况下改善一个数量级的芯片通信频宽,替目前面临瓶颈的电晶体技术立下新的里程碑。使用光学元件进行芯片到记忆体的传输将可降低功耗并增加时脉,未来还可能协助达到百万兆等级(Exascale)的运算。 光子神经形态芯片 利用光子解决了神经网络电路速度受限这一难题。神经网络电路已在计算领域掀起风暴,科学家希望制造出更强大的神经网络电路,其关键在于制造出能像神经元那样工作的电路或称神经形态芯片,但此类电路的主要问题是要提高速度。 光子计算是计算科学领域的“明日之星”,与电子相比,光子拥有更多带宽,能快速处理更多数据。但光子数据处理系统制造成本较高,因此一直未被广泛采用。 所以这将开启一个全新的光子计算产业,硅光子神经网络可能会成为更加庞大的、可以扩展信息处理的硅光子系统家族的“排头兵”。 利用城市现有光纤 实现远距离量子传输技术 这是首次在现有的城市光缆中实验量子传输。此前研究人员仅仅能够在实验室环境下实现这一距离的量子传送,通过量子传送的方式可以实现加密信息的绝对安全传输,其允许信息发送者将“无形信息”发送给接受者,而在量子网络上是无法实现信息拦截的。 在实验室外进行量子传输,涉及到一系列问题,是一个全新的挑战,该实验克服了这些问题,是未来量子互联网发展的一个重要里程碑。 光纤传输技术 可供全球48亿人通话 随着AR/VR、4K高清等技术不断涌现,在互联网+、物联网、大数据、云计算、智慧城市等多个产业领域都依赖海量数据的高速传输,这就需要底层的信息高速公路越宽越好。多芯单模技术,就好比在一根光纤中开辟了多条并行道路,让总运力大为提升。 芯片到芯片通信技术 该项目引入硅光电技术和WDM作为提升容量、降低功耗的路由机制,将分别在光引擎级和板级实现1.6Tb/s和25.6Tb/s的吞吐量。在服务器机架设计中采用芯片到芯片通信是目前高端服务器产业发展的热点,可以有效增加数据吞吐能力,并减少物理空间、网络复杂度、开关及线缆的用量和能耗。 最高密度光纤传输技术 这一研发打破了光纤芯线的传输容量界限,在全球范围内开展起来。但若考虑实际可利用的光纤直径的上限和芯线弯曲度分布控制性等问题,不仅芯线数量增加,如果模块数量增加的话,1根光纤超越50个隧道相对比较困难。 NTT等公司将通过这项研究,随着今后数据通信量的增加,多贝脱比特处,其1000倍的检测点方面也可满足信赖性较高的光纤,实现道路的开通。此次研l的光纤,将于2020年推向实用化,在持续增加的数据通信需求方面,有望持续满足光纤传输基础。 光子集成多光子纠缠量子态以及片上光频梳研究 此次研究在Si3N4微环内成功实现了可见光光频梳,得到跨越S-C-L三个通信波段的频率间隔为200GHz的纠缠光子对。这在大规模集成的片上纠缠光子源已成为量子应用技术发展的迫切需求。 该研究开创了片上产生和控制复杂量子态的时代,并提供了一个可规模化集成的光量子信息处理平台。该工作是继片上并行预报(Heraled)单光子源和片上交叉偏振纠缠光子对之后在光子集成片上量子光学研究上的又一重要进展。 光纤传输速率突破1Tb/s 2016年10月,诺基亚贝尔实验室、德意志电信T-Lab实验室以 及慕尼黑工业大学(TechnicalUniversityofMunich,TUM)在一次光纤通信现场试验中,通过一项新的调制技术,研究人员达到了前所未有的传输容量和光谱效率。当可调传输速率随着信道情况和通信量需求而进行动态适应的时候,光网络的灵活性和性能可以得到最大化。 作为安全保障的欧洲路由技术(SafeandSecureEuropeanRouting,SASER)项目的一部分,这个在德意志电信已经部署的光纤网络上进行的实验达到了1Tb/s的传输速率。PCS新调制方式的试验,在给定的信道上达到更高的传输容量,显著地改善了光通信的光谱效率。PCS聪明地以相比于小幅度的星座点更低的频率来使用那些具有大幅度的星座点来传输信号,这样平均来讲对于噪声和其他损伤具有更好的适应性,这使得能够对传输速率进行调整以完美地适应传输信道,从而得到30%的容量提升。德意志电信提供了一个独特的网络基础设施来评估和演示类似此类的高度创新的传输技术。将来它还将支持更高层级的测试场景和技术,并在已经铺设的光纤基础设施上增加容量、覆盖距离以及灵活性。 基于LED实现610Mbps单路实时传输 2016年1月,中国科学院半导体研究所集成光电子学国家重点实验室主持的北京市科技计划课题“室内高速可见光通信系统收发器件与越区切换技术研发”宣布已按计划完成。 研究团队委托中国泰尔实验室对单路实时610Mbps的可见光通信进行了第三方测试,结果呈现良好,基于1瓦荧光型白光LED和PIN探测器在OOK调制下单路实时传输平均速率610Mbps,在传输距离为6.2米时,平均误码率为3.5e-5量级,远低于前向纠错的误码率上限要求3.8e-3。 可见光通信这项无线光通信新技术比传统的无线电通信技术更加符合无线通信技术的发展方向(高速、大容量、安全),未来会催生很多创新应用。中国有众多的LED企业和广阔的半导体照明市场,这种基础优势是其他国家难以企及的,可见光通信技术的实用化研究应该引起业界的充分重视。 光通信技术论文:空间激光通信技术最新进展与趋势 摘 要:光钎通信系统已经被推向我国通信市场,但是研究人员对高速通信系统的关注程度更高。对此,我国通信部门已经对空间激光通信技术展开了研究分析。空间激光通信技术相比传统的通信技术具有以下应用优势:一是传输速率高,二是天线尺寸小,三是抗干扰性强,四是保密性好。很多国家都在加大空间激光通信技术的研究力度和资金量,特别是ESA。长距离的通信也只能依靠空间激光通信技术才能实现,这是光钎通信技术无法实现的。由此可以看出,空间激光通信技术具有广阔的发展前景。 关键词:空间激光通信技g 最新进展 趋势 空间激光通信具有通信容量大,通信速率、抗干扰能力强,抗截获能力强和重量轻等多种优点,是以激光为载波,在空间中实现多种信息进行无线传输的通信方式。从历年的空间激光通信技术的发展历程来看,ESA的作用不可小视,ESA代表空间激光通信技术的最高水平,对于空间激光通信技术的发展有很大影响。但是,对于我国而言,我国空间激光通信技术还处在发展的初级阶段,还在摸索空间激光通信技术的发展方向,可结合本国的情况借鉴发达国家空间激光通信技术的发展经验。 1 空间激光通信技术最新进展 目前,国内外空间激光通信发展迅速,欧洲、美国、日本、德国等地区和国家对空间激光通信技术进行了大量的研究,为空间激光通信技术做出了巨大的研究贡献。如表1所示,展示了近几年美国等国在空间激光通信技术研究方面比较有代表性的成果。 2 空间激光通信技术发展趋势 2.1 直接探测体制发展 相比而言,空间激光通信直接探测体制的结构比较简单,操作起来比较方便,因而被广泛应用于第一代激光通信系统内部。但是,从实际空间激光通信环境来看,光强度对通信系统的影响比较大,而且会受到噪音的干扰,空间激光通信直接探测体制无法满足空间激光通信系统的运行需求,敏感度较低。经过空间激光通信专业人士的多年研究,ESA于2008年被安装在卫星上,对空间激光通信系统进行端口检测,同时也对相干通信展开了实验分析,误码率非常小,而且信息传输的速度非常快。目前,空间激光通信技术还将不断完善。为了不断提高激光通信系统的实用性和通用性,未来的发展趋势是探测体制的发展从单一体制向复合探测体制转变。 2.2 传统量子通信的变革 1980年量子通信被首次提出,量子通信应用了加密技术,可以保证传输信息的绝对安全,量子通信一提出就受到了人们的广泛关注。2004年,经过多位空间激光通信科学家的研究实验,实现了量子通信的远距离传输,量子通信可以透过地面大气依旧保持纠缠特性。2006年,量子通信实现了超远距离的空间通信。截止到目前为止,我国科学家对于量子通信的研究已经创造了新的历史。量子通信具有巨大的发展潜力,空间激光通信研究人员也正是看重了量子通信的这一巨大发展潜力,研究人员从2002―2007年展开了多项研究,总结出影响量子通信的多种因素。经过几年的发展,传统量子通信的变革研究的技术逐渐成熟,正在快速向实用化、加密化迈进。将卫星光通信与量子光通信相结合,进行卫星光通信中的量子密钥分发是卫星光通信保密技术一个新的发展方向。 2.3 光子集成化升级 空间激光通信光子技术包括:一是光纤光学,二是集成光学,三是微光子学。光子技术具有以下特点和优点:一是损耗较小,二是协议透明,三是抗干扰性强,四是不诱导电磁干扰,五是重量小,六是体积小,七是柔韧性好,八是无互相耦合。空间激光通信光子技术特别适合应用于航天环境中;1990年,美国经过实验证明光子技术确实可以应用于航天器中;2002年,研发部门加大了研究光子技术的资金量,研究的内容为:一是通信链路,二是模数转换,三是频率转换,四是本振生成,五是光束形成网络,六是传感,七是成像光纤;2009年,西方国家发射出的卫星上就设置了光子器件。如今,空间激光通信光子技术正朝着光子PCB的方向发展,空间激光通信技术标准也在不断提高。 2.4 天基网络的一体化演变 空间激光通信技术发展的最终目标是实现全球数据覆盖,与地面形成网络链路。在空间激光通信技术的研究初期,研究人员把更多的精力放在空间激光通信链路的研究和实验上。2000年后,研究人员开始加大天基网络一体化演变的研究力度。如今,空间激光通信研究人员提出了天基混合网络结构,并对天基网络的性能和所带来的经济效益做出了研究分析。但是,我国的天基网络一体化演变还处在理论研究阶段,还未真正实践,还有很多空间激光通信技术问题亟需解决。 2.5 空间激光通信向深空迈进 人们一直想更加深入地了解星空,国外发达国家自20世纪90年代初期便开始了以激光通信作为深空探测通信方式的相关研究。近几年人们对天空的探索热潮一直不退。如今,研究人员把探索星空的希望寄托在空间激光通信技术上,西方国家也在加大空间激光通信技术应用于卫星上的研究力度。空间激光通信研究人员经过多年的努力,收到了不错的成果。在ESA和NASA(美国国家航空航天局)未来的深空探测计划中,激光通信将成为深空探测活动的主要通信方式。 3 结语 从实际空间激光通信环境来看,光强度对通信系统的影响比较大,而且会受到噪音的干扰,直接探测体制无法满足空间激光通信系统的运行需求,敏感度较低。2004年,经过多位科学家的研究实验,量子远距离的传输通信实现了,透过地面大气量子通信可以依旧保持纠缠特性。如今,光子技术正朝着光子PCB的方向发展,空间激光通信技术标准也在不断提高。空间激光通信技术发展的最终目标是实现全球数据覆盖,与地面形成网络链路。但是,我国的天基网络一体化演变还处在理论研究阶段,还未真正实践,还有很多空间激光通信技术问题亟需解决。截止到目前为止,我国科学家对于空间激光通信的研究已经创造了新的历史。 光通信技术论文:空间光通信技术的发展与展望 摘 要目前自由空间通信技术在各个领域应用十分广泛,其是一种以激光束为传播信号,大气为传播介质的新型通信技术。随着社会的进步以及科学技术的不断发展,空间光通信技术也取得了突破性的进展,成为现代社会信息交流的基础。本文通过对空间光通信技术的概述以及在我国的发展现状,对空间光通信的关键技术进行了分析,并对其发展和应用进行了深入的探讨。 【关键词】空间光通信技术 关键技术 天线技术 随着科学技术的不断进步,人们对空间通信技术的研究也愈加深入,目前空间技术中的大功率轨道运载技术以及大容量卫星技术已经趋于成熟,促进了空间光通信技术的发展。当前人们对网络传输的速率要求有明显提升,因此对空间通信技术的要求也高,空间光通信技术能够适应现代社会快速发展的需求,有效的提高通信数据的传输率,广泛的引用在保密通信、局域网互联、城域网扩展等领域,为现代社会的发展提供可靠高效的技术保障。 1 空间光通信技术概述 传统的空间通信技术的载体是微波,但是这种技术已经远远不能满足现代社会发展的需求,随着通信技术的研究发展,空间通信技术逐渐发展到以激光为载波、大气为传输介质的光通信技术,作为一种新型的宽带通信技术,这种技术一方面继承了微波通信的优势,另一方面还增加了光纤通信的特点,其基本的原理是激光传输技术和光电转换技术。该技术在进行两点传输时,发射端和接收端设置有高灵敏度的激光的发生器和接收器,以及配备光学望远镜,发射端将电信号调制为光信号发出后,是以直线传播的方式穿过自由空间到达接收端,其中光学望远镜控制激光的发射方向和接收方向,接收端在接收到光信号后再调制为电信号,实现双工通信。空间光通信的优势是通信容量大以及传输速度快,且成本低,安装简便。 2 我国空间光通信技术发展现状 一直以来,卫星技术是我国进行空间探测的重要手段,并提供相应的技术保障,但是以微波为载体的空间技术已经无法满足快速发展的社会需求。在发达国家空间光通信技术的研究已经取得了极大进展,但是在我国空间光通信技术还处于起步阶段,因此只能借鉴国外先进的研究结果。我国的光通信技术发展至今已经取得了不错的成就。在“十五”和“十一五”期间,我国首次成功的进行了星地激光通信实验,以海洋二号卫星平台为搭建平台,这次实验标志着我国的卫星光通信技术已经进入空间试验阶段。随着连续波大功率半导体激光器技术、空分复用技术、智能天线技术等的发展,光通信技术也不断的拉长传输距离,增大传输容量,提高了可靠性,拓宽了适用范围。在“九五”期间我国已经开始基于激光大气通信理论对空间光通信跟踪技术进行深入研究,并取得了一定成就。 3 空间光通信关键技术 3.1 原子探针层析技术 原子探针层析技术(APT)在空间光通信系统中负责实现通信连接的功能,是当前空间分辨率较高的分析测试技术,能够分辨原子种类,并对其空间位置进行直观的重构,比较真实的显示出不同元素原子的三维空间分布。APT是应用在空间光通信系统的服务器中,当服务器的网络探测到信息时,APT服务器开始扫描通信链路,确认信息双方的位置,确认后开始获取信息,并锁定通信目标,随后完成光通信连接。 3.2 天线技术 天线技术是采用收发一体的天线实现空间光通信系统中的双向互逆功能,提升空间光通信的传输性能。该技术的实现主要依靠天线阵、波束形成网络以及波束形成算法,在发射器将电信号转化为光信号后传输到发射天线后,天线技术利用波束形成算法计算发射功率,并发射出光束;接收天线对光束进行接收,主要是利用信号在不同的传播方向的差异性,将相同频率、相同时隙的信号进行区分,有效的降低了光信损失,使空间光通信更加稳定可靠。 3.3 捕获技术 捕获技术是空间光通信系统的关键技术,是能够实现通信的先决条件。主要原理是监视和跟踪目标特定的光电,来实现运动捕捉。利用捕获技术能够捕捉空间点的运行轨迹和具体位置,为实现空间光通信垫定基础。 4 空间光通信技术的发展及应用 当前空间光通信技术已经实现了可行性,并在各个领域都有应用,一定程度上推动了现代社会的发展,当前面临的主要问题是如何实现星际自由空间光通信。在信息高速增长的现代社会环境下,空间光通信技术的发展目标是提升传输的可靠性、提高传输速率以及扩展传输距离。随着三网融合,现代通信的发展方向是数字化和智能化,因此我国要想在激烈竞争的国际背景下有所突破,就要现空间光通信系统的智能化以及数字化。主要的研究方向如下:大气信道的研究,大气是对信号影响最大的干扰因素,会在接收端产生一定的信噪比,解决大气信道干扰能够提升空间光通信技术的通信速率和拓宽通信距离;传输可靠性的研究,主要是研究信号接收和信号源,需要激光器产生的信号具有光束窄、频率高的特丹,因此对其功率以及稳定性要进行深入研究;保密性的研究,当前自由空间光通信技术的通信信道是开放的,这样会造成不法分子在不切断光束的情况下窃取信息,因此要进一步完善空间光通信技术的保密性和安全性。今后空间光通信技术将会在宽带接入市场中成为主流,与微波通信技术互为补充,微波系统在大区域范围内实现低速通信,空间光通信技术在小区域范围内实现高速通信,更加便利的为用户提供可靠稳定的服务,还能在恶劣环境下充当备份通信服务。 5 结束语 综上所述,空间光通信技术在现代社会中逐渐发挥不可替代的作用,其发射率高、灵敏度高以及安全保密性良好的特点,可以满足卫星通信的需求,并与其他通信技术互为补充,实现了光纤的告诉传输,并带动了三网融合的发展,促进电子政务、电子商务、远程医疗等信息化建设领域。空间光通信技术的发展空间广阔,并会为我们生活带来更多的便捷。 作者单位 1.中移(杭州)信息技术有限公司 浙江省杭州市 311100 2.浙江树人大学(基础部) 浙江省杭州市 310015 光通信技术论文:室内可见光通信技术的研究 [摘 要]随着社会时代的发展与科学技术的不断进步,作为一种新型技术,室内可见光通信技术具有无电磁干扰、节约能源等显著优势,越来越得到人们的认可,成为当前社会发展中被大力推广的一种技术。就当前的社会大背景来看,人们正一步步提高着对室内可见光通信技术的研究与关注,此举有助于可见光通信技术在室内设计中充分发挥其优势作用。本文主要对室内可见光通信技术的国内外发展现状及其工作技术原理进行了简要分析,并对其目前的关键技术进行了详细研究。 [关键词]室内 可见光 通信技术 前言 随着时代的发展与科技的进步,室内可见光通信技术得到快速的发展与应用,逐渐走入千家万户,为人民的生产生活带来便利,此外,随着其广泛应用,室内其他相关设备的应用年限也随之得到一定的延长,由此可见,室内可见光通信技术的应用不仅拓宽了我国通信系统的发展道路,在一定程度上提升了信息的传输效率,还在其他方面起到一系列的正面影响,促进了科学技术的应用发展,以下是对室内可见光通信技术的简要介绍与探索研究,希望未来我国的室内可见光通信技术可以得到更多的发展与创新,为社会的发展提供新动力。 1.室内可见光通信技术简介 室内可见光通信技术是指利用室内可见光照明设备的相关功能来实现信息传递,此技术最初起源于日本,于2000年左右由日本的相关技术人士提出。随后,世界各地的相关专业人员大胆创新研发,2008年,经过大量的科技实践,专业的室内可见光通信系统终于成功问世,但由于各种因素的影响,其技术并不完善,传输范围仍然受到一定程度的限制。相较于国外,我国的室内可见光通信技术起步相对较晚,在外国已经进行了大量的实践研究后,国内的相关研究人士于2006年终于提出发展国内的室内可见光通信技术系统的研究思想,并在两年内经过无数的理论探索与实践,终于完成可见光通信技术的远程传输,在真正意义上解决掉可见光通信技术传输距离较短的重大困扰。事实上,先进的室内可见光通信技术的成功研发,一方面可以使照明设备在具备自身照明功能的同时,还拥有信息传递的功能,不仅在一定程度上改善了信息传递的方式方法,也在很大程度上加快了信息传递的效率;另一方面也方便了人们的生产生活,在顺应了时代的发展的同时,满足了社会的发展需求。为当代社会的发展与人民生产生活的进步起到一定的推动作用,具有广阔的应用前景。 2.室内可见光通信技术原理 事实上,室内可见光通信的基本原理并不复杂,其原理是利用灯光的“明”与“暗”分别来对应数字信号“0”与“1”,然后将待发射的广播、图像、影像、音频等信息进行调制,再加载到LED灯光上,最终通过LED灯光的高频闪烁原理将接收到的信号再次传递,从而完成室内可见光的通信过程。众所周知,白光LED区别于传统的光源,其响应速度极快,具有低压供电,利用电场作用发光,寿命长,辐射性低,稳定性高等物理优势,不会对人眼造成消极影响,兼具照明和通信两种功能,成为实现室内可见光的无线通信功能的媒介。与此同时,在信号的接收端通常存在着光电探测元件,具有将刚刚接收到的可见光的信号进行放大和解调处理的功能,从而将其再次还原为广播、图像、影像、音频等信号,即室内可见光通信的基本原理是信号的转换与循环。 3.室内可见光通信技术分类 3.1 分集接收技术 室内可见光通信系统的正常运行需要很多关键技术的支持,分集接收技术就是其中之一,目前来看,传统的通信方式极易受到外界环境及其他不良因素的干扰,而分集接收技术的应用可以简单地解决这个难题,换言之,分集接收技术的主要作用就是防止室内可见光通信系统在信息传递的过程中由于外界干扰而出现信号失真的情况。就现今的科技水平来看,分集接收技术可以说是室内可见光通信系统得以顺利运行的最有力保障也是最不可或缺的重要技术之一。分集接收技术的工作原理是在室内可见光通信系统中应用信号探测器。也就是说,在利用室内可见光通信系统来传递信息时,需要相应的工作人员对待接收信号进行信号检测,然后在所有的检测结果中挑选出信噪比更大的信号,再对此进行信号传递工作,在这个过程中必不可少要用到的仪器就是上文所提到的探测器。由此可见,分集接收技术的合理应用可以在很大程度上确保信息的真实性与有效性。 3.2 正交频分复用技术 正交频分复用技术,用英文表示即OFDM ,是除了上文中所论述的分集接收技术外,用以保证室内可见光通信系统的正常运行的另一种主要技术。该技术于2001年由日本相关技术人员首次研发出来,凭借其强大的功能,随后得以广泛应用,不同于分集接收技术可以抵抗外界干扰的功能,正交频分复用技术主要用于提高数据传输的效率。正交频分复用技术的主要应用原理是将数据传输所利用的通信系统分离,再以一定的规律分为众多不同的通信信道,众多子信道的正交可以在一定程度上提高数据传输的时效性,从而达到提高信号传输的效率的目的目标。 3.3 信道编码技术 事实上,室内可见光通信系统与其他普遍存在的通信系统有很多相似之处,例如,它们在信息传递的过程中都极易遭到外界环境及其他因素的影响,并因此出现数据乱码的问题,较为常见的现象是部分通信图像中出现马赛克,导致信息传输的中断。这时,倘若应用信道编码技术,就可以在信道系统出现乱码的问题时,对该问题进行有效的解决,从而大大的降低了由于信道误码所导致的信息传输中断的现象的发生,在很大程度上降低了该现象所造成的负面影响。另一方面,由于信道编码技术的应用,为室内可见光通信系统提供了很强的抗干扰能力,同时,信息传递的安全性与有序性也随之大幅度提高。此外,在传统的室内可见光通信系统中,由于距离的限制,信息传输时常被迫中断,长距离的信息传递如何进行一直是困扰相关技术工作人员的一大难题,然而,随着信道编码技术的出现与应用,传统系统中的信息传输难题迎刃而解,信道编码技术的应用延长了信息传递的距离,为用户提供了更方便的信息传输方式与功能。 3.4 光码分多址技术 光码分多址技术,在英文中表示为OCDMA ,与上述三种主要技术的功能不同,其在室内可见光通信系统中的主要作用是将不同用户之间的数据信息区别开来,防止混淆与错误传输。目前,为了便于用户的信息传递,室内可见光通信系统要求用户使用相同的光源来进行信息传递,虽然此要求在一定程度上对信息传递起到推动作用,但从另一方面来看,此要求也在很大程度上增加了区别不同用户信息的难度。这时,光码分多址技术的应用解决了@个难题,在用户利用信息进行数据传输时,相关的技术工作人员可以通过适配器将不同用户的信息进行有效隔离,以此阻断数据信息混淆情况的发生。此外,光码分多址技术的应用给不同的用户分配了各自专属的地址,将数据信息混淆的几率降到最低,由此将信息传递的准确性大幅度提高,为信息的传递提供了良好的环境。 4.结语 综上所述,室内可见光通信技术是一种新型的通信技术,具有节约能源等传统通信技术无可比拟的优势,也因此成为最符合当前的社会大背景的通信技术。但是社会还在不断发展进步,室内可见光通信技术也随之面临着更多崭新的发展机遇。目前,可见光通信系统中已经应用了一些关键技术,但这些技术也应与时俱进,使室内可见光通信系统变得更加完善,为用户提供更加良好的信息传输环境,为信息传递的安全性提供更强有力的保障,为社会发展发挥更加积极的作用。 激光通信技术的前景及应用 【摘要】现阶段我国的科学技术有了迅速的发展.一些先进的技术已经在实际生产生活中得到了广泛应用,激光通信技术正是在发展中的一项先进应用技术,对人们的生产生活有着重要的促进作用。基于此,本文则主要就激光通信技术的发展前景以及实际的应用进行详细分析探究,希望借此能对其发展起到一定促进作用。 【关键词】激光通信技术 发展前景 应用 当前的电信体制的改革过程中,对一些先进的技术有了应用,从而将实际的工作效率得到了有效提升,激光通信技术在主要就是通过激光在大气信道当中的点对点数据的传输,来实现信息传输功能的。在这一发展背景下加强激光通信技术的理论研究就有着实质性意义。 一、激光通信技术的优势及主要特征分析 1.1 激光通信技术的优势分析 激光通信技术在当前的广泛应用主要是基于其自身的技术优势,这些优势主要体现在通信的安全保密,由于激光的直线定向传播方式,使得其自身发射的光束比较狭窄有着较好的方向性,所以在实际的数据信息传递过程中就有着较强的保密性,除非是在链路上被截断,除此之外数据不会被泄露。还有就是这一通信技术能够不需授权执照,设备间无射频信号干扰,并且在实施的成本层面较为低廉,从造价上来看是光纤通信工程的1/5左右。不仅如此,最为重要的就是建网的速度相对较快只需要进行在通信点上实施设备安装即可,并且在协议的透明性方面较好设备的尺寸小。 1.2 激光通信技术的主要特征分析 激光通信技术自身有着鲜明的特征,将激光通信和微波通信相比较而言,对无线电频率资源不会占用,并且有着较好的电磁兼容性,在抗干扰能够上也比较强。不会对人体造成危害,另外就是在通信的品质上较好,传输的带宽较大。激光通信技术通过小功率红外激光束或者是脉冲作为信道,然后在空间直接传送分组数据,再进行数据语音以及图像信息双向传送,在实际的选择性以及灵敏度方面都相对较强。 二、激光通信技术的发展前景及应用 1、激光通信技术的发展前景分析。我国的科学技术不断进步过程中,激光通信技术在今后的发展前景也将会比较广阔,激光通信技术在长时间的发展中取得了较好的成果,其在传输的远距离问题上得到了解决,并且节省了大量的通信成本,实现了和卫星技术共同发展的目标。但激光通信技术在发展中也有着一定的问题,最为重要的就是激光通信技术的发射接收的设备相对比较复杂,并且需要独立的场所放置,在安装维护的难度上相对较大。从当前的实际解决的策略来看,主要是将光纤网络与之相结合,并且对通信设备的安装维护不足问题得到了有效弥补。激光通信技术在今后的发展中,将在城市网络通信方面成为主要的应用技术,在激光通信技术的进一步发展优化过程中,其技术的优点将会得到进一步的突出。未来的发展过程中,通信技术和卫星技术的结合度将会更加的紧密,由于光纤通信技术自身的局限性,在城市网络通信中的应用汇有着诸多的不足,在这一情况下激光通信技术就会为城市通信提供重要的技术依据,从而有效的保证城市网络通信传输速率以及带宽的有效增长。 2、激光通信技术的应用。激光通信技术在实际生活当中也有着比较广泛的应用,其中在企业的内部网互联上的应用作用就比较突出,企业的局域网在各网段通常会被大楼建筑或者是道路阻断,而FS0设备的安装就比较适合应对这~问题,从而实现企业内各局域网段的互联,并能够有效的解决大楼间的复杂地貌所带来的挖沟布线的难题。另外在临时的通信以及应急抢通的场合也能得到实际的应用,在电视现场直播高质量数字图像信号过程中,采取的微波信号会受到一些因素的干扰,所以在紧急的情况下能够通过FSO加以应用,从而在抗干扰的能力上能够得到有效加强,并且还有着较大的带宽容量。对一些紧急的事故发生时需要通信,对于光缆的抢通就比较花费时间,并且在效率上也得不到有效提升,虽然微波的应用能够比较迅速,但随着通信业务的增加对实际的需求也得不到有效满足,所以通过激光通信技术不仅在效率上能够得到有效提升,同时在带宽上也能满足实际的需求。将激光通信技术在高压电的工作去数据采集以及传输方面的应用也能够得到效率上的提高,在具体的应用过程中,通过将光发射天线安装在高压区,光接收天线安装在低压区,对其数据的采集主要是通过数据在光传播中加以传输,然后再经过光接收天线对数据进行接收,在整个传输的过程中不会受到干扰,所以这就加强了实际的工作效率。 三、结语 总而言之,当前的通信产业发展过程中,随着一些先进的技术不断的优化发展,两者的有机结合使得在生活中的技术应用也比较广泛,对生产工作的效率有了大幅增长。无线激光通信技术对传统通信技术的不足有了弥补,在未来的发展过程中相信能够进一步的得到发展。 光通信技术论文:关于卫星光通信技术发展及其影响因素的研究 摘要:卫星光通信技术的发展与应用对于实现高速大容量远距离数据通信传输有重要价值,可为多个领域提供优质通信服务。本文介绍了卫星光通信技术发展状况,并对卫星光通信技术的影响因素与应用进行了探讨,希望能为光通信技术的发展与应用服务。 关键词:卫星;光通信技术;发展;影响因素 卫星通信作为应用领域较多、范围较广的一种方式,本身所承担的责任越来越大,科学实验、对地观测、国土资源管理等诸多工作对于传输信息量的要求越来越大,对于传输信息的准确性、可靠性、安全性、实时性都有了更高的要求,这就促使卫星通信技术不断进步、创新,从而更好的服务国计民生。卫星光通信技术作为目前应用较广的一种通信技术,是当前研究热点之一,研究技术发展及其影响因素有助于未来更好的探索发展前进方向。 1.卫星光通信技术发展 近年来卫星光通信技术最典型的一次发展应用就是天宫一号天空授课,利用光通信技术、天链数据“中转站”传送双向实时授课画面,实现天地之间的视频提问和回答,这无疑对卫星光通信技术应用优势的极大认可与发挥,对于该技术的进一步应用与创新提供了可靠参考。卫星光通信网络的建立必须依靠数据中继卫星建立星间链路,这意味着必须解决解决高速运动的卫星之间的捕获与跟踪,对精度要求极高,光通信所采用的星间链路波段主要以光波波段与微波波段,光波段通信的通信调制带宽可显著增大,数据率也突破Gb/s甚至更高。 目前卫星光通信技术的发展瞄准了导航数据、高分辨卫星遥感、测绘等大容量数据的即时传输与处理需求,以提升通信应用综合效益与价值为目标,对高速大容量微波、激光数据压缩传输与处理优秀技术与高效微波、激光数据压缩与数据传输设备等进行深入研究,打造卫星数据传输与处理应用产业链。卫星光通信技术的应用开辟了全新的通信频道,使调制带宽显著增加,将光功率集中在非常窄的光束中,器件的尺寸、重量、功耗明显降低,各通信链路间的电磁干扰小、保密性强且显著减少了地面基站,具有多重优势。目前卫星激光通信包括深空、同步轨道、低轨道、中轨道卫星间的光通信,有GEO-GEO、GEO-LEO、LEO-LEO、LEO-地面等多种形式,同时还包括卫星与地面站之间的通信。随着元器件发展,卫星光通信技术已基本成熟,并逐渐向商业化方向发展,美国、欧洲、日本等国家都制定了多项有关卫星激光通信的研究计划,对卫星激光通信系统所涉及到的各项关键技术展开了全面深入的研究,近几年逐步进入实用化阶段,特别是小卫星星座之间激光星间链路的实现与成熟,必将进一步促进其商业化发展与应用,为未来必将成为未来超大容量卫星通信的最主要的途径。 2.卫星光通信技术的影响因素 卫星光通信技术的应用受大气、温度、天气、背景光、飞行平台的相对运动等多种因素干扰。 应用微波以及光波进行卫星通信会受到大气衰减影响导致光束弯曲、扩散,大气本身对微波与光波的吸收、折射、散射等会导致通信传输信号能量减弱,在二氧化碳、水蒸气、臭氧层等影响下导致通信质量与效率受到影响,这对于卫星光波通信的干扰极大。为最大限度的削减这一负面影响,对于光波与微波要尽量选择最佳工作波长,使其提升在大气窗口重点的透过率,要着重提升激光器本身的输出功率与接收机本身的灵敏度,以确保通信质量。大气中的湍流与折射现象会导致光束扩散弯曲引发波前失真,导致传输误码率上升,另外大气中悬浮粒子引起的米氏散射、瑞利散射也会导微波与光波功率下降,在卫星光通信中必须通过增加接收面积或者应用自适应光学技术来减少以上现象带来的干扰。 卫星光通信中温度的变化对于传输质量也有一定影响,比如系统终端不同平台位置、不同设备、不同材料因膨胀系数有所差异因此易形成温度梯度干扰传输,同时还会影响传输、指向精度,加剧设备损伤、降低设备使用寿命,因此必须严格控制设备器材中不同材料的膨胀系数,并配合有效控温举措确保通信传输质量。天气对卫星光通信传输的干扰主要以恶劣天气如冰雪雹雾等为主,其会干扰大气中光波与微波的传输,通过应用大气仿衰减、散射、湍流等举措即可保障传输效果。背景光以太阳光、月光、星光、反射光等为主,其会干扰卫星通信链路的建立与通信传输质量,为削弱背景光干扰作用,要考虑通过采取缩小接收面积、应用窄带滤光器等举措确保通信传输。另外,飞行平台的相对运动对于光波、微波远距离传输通信也有一定负面影响,会造成指向不确定等问题,可通过实时监测、设置超前瞄准参数或者轨道预报来提升指向准确性。 3.卫星光通信技术的应用 卫星光通信技术在我国诸多领域都有所应用,为国民生产与经济发展提供了支持与保障。光通信技术中捕获跟踪瞄准技术的应用使得光波的捕获与接收更加精准,超高速率调制技术的应用进一步增大了通信容量,抗干扰技术的应用提升了接收灵敏度与接收质量,卫星与地面设备传输技术的应用进一步削弱了通信传输过程中负面干扰因素带来的影响,为卫星光通信传输质量提供了切实保障。 卫星光通信技术目前在我国的应用最典型的以海洋二号卫星为主,该卫星具备全天候、全天时、全球连续探测风浪流潮及温度等海洋动力环境信息的能力,为海洋环境监测与资源开发提供了有效支持,另外还有助于高效监测风暴潮和巨浪等极端海洋现象,提高海洋灾害预警的时效性,提供识别大洋中的锋面和中尺度涡的重要大洋渔场信息,为大洋渔业资源开发提供技术保障,卫星获取的数据能够有效监测全球海平面变化和极地冰盖变化,为研究全球气候变化提供科学依据,其配合海洋一号卫星可为完善我国海洋立体监测体系、提升对地观测卫星调查、监测能力提供可靠保障。 4.结束语 综上所述,卫星光通信技术的发展对于现代高速大容量数据传输有重要价值,可满足多个领域内数据通信传输要求,对于进一步发展高精尖通信技术、推动国内航天海洋探测发展有重要价值。 光通信技术论文:试论空间激光通信技术最新进展与趋势 【摘要】 随着科学技术的不断的发展和进步,空间激光通信技术在现代超宽带卫星通信工作中的应用也越来越广泛,开展空间激光通信技术最新进展和趋势的探究,分析空间激光通信技术的应用以及应用的性能,可以促使我国的空间激光通信技术的应用获得更加良好的发展空间和更加光明的发展前景。 【关键词】 空间激光通信技术 进展与趋势 引言:随着社会对于信息技术的应用要求的不断提升,人们对于具有高频率以及高效率的信息传播技术的应用的重视程度,也在不断的提升。因此探究空间激光通信技术最新的进展和趋势的重要性不可忽视。由于空间激光技术所具有的载波频率,远高于微波通信技术所具有的载波频率,因此空间激光通信技术的广泛应用,是应时代的需求而生,具有必然性。 一、空间通信激光技术的最新进展探究 通信激光技术在全世界范围内都被广泛的应用,发达国家也将发展、进步以及完善通信技术作为重要的研究之一。空间通信激光技术随着各项研究的全面实施,也取得了巨大的发展和进步。 1.1空间通信激光技术的最新进展探究中的月球激光通信验证技术探究 月球激光通信验证技术是美国主要开展的空间通信激光技术。月球激光通信验证技术实施的主要目的,是建立绕月飞行器同地面之间的双向的通信渠道,从而可以有效的实现信息的探测的灵敏度得以有效的提升。同时,由于月球激光通信验证技术的灵敏度较为理想,月球激光通信验证技术的技术服务终端,终端的体积较小,质量也相对偏低,并且月球激光通信验证技术的应用过程中所需要消耗的能源也相对较少,因此空间通信激光技术的最新进展探究中的月球激光通信验证技术探究,对于促进信息技术的发展,具有不可忽视的时代意义。 1.2空间通信激光技术的最新进展探究中的欧洲数据中继卫星系统 欧洲数据中继卫星系统是德国主要研究的空间通信激光技术之一。欧洲数据中继卫星系统实施的主要目的,是通过卫星群体的建造,有效的实现无人机与地面站之间的中继服务的顺利的开展[1]。由于欧洲数据中继卫星系统具有较为完善的激光通信服务终端,具有十分可观的码速率,因此欧洲数据中继卫星系统的应用可以使得空间通信过程中,信息的捕捉时间被有效的缩短。因此欧洲数据中继卫星系统的应用的探究十分的具有可行性。 1.3空间通信激光技术的最新进展探究中的星间光通信工程试探技术 星间光通信工程试探技术是日本主要研究的空间通信激光技术之一。星间光通信工程试探技术的应用过程的主要内容,时间里“阿蒂米斯”卫星与任务卫星之间的双向空间激光通信渠道。从而实现双线链路传输速率的同时有效提升。星间光通信工程试探技术的应用,促使了地轨卫星与机动光学地面,建立完善的空间通信激光的平台的可能性,得以有效的实现。因此空间通信激光技术的最新进展探究中,星间光通信工程试探技术的探究和应用,对于空间通信激光技术的应用具有十分有效的发展和完善作用[2]。 二、空间通信激光技术的进展趋势探究 随着各个国家的不断的计划和完善,空间通信激光技术的发展速度较为客观,同时很多技术上存在的障碍也被有效的解决。例如高效准确的获取、对准以及追踪技术、大气湍流效应挽救技术、高功率激光发射技术,以及具有较高的灵敏度的激光接受技术,这些技术的完善和其全面发展,都使得空间通信激光技术具有十分理想的发展趋势。 开展空间通信激光技术的进展趋势探究,可以有效的明确机制从直接检测向关联检测以及综合检测的转变,同时空间通信激光的进展趋势还包括:通信波长的波段的不断过渡、纳米技术在空间通信激光技术应用过程中的有效融合以及经典光通信与量子光通信之间的有效结合[3]。 探究空间通信激光技术的进展趋势可知,由于空间激光通信的宽带优势十分明显,因此成为空间宽带通讯的最重要的渠道,是空间通信激光技术进展的趋势。 结束语:探究空间激光通信技术最新进展与趋势,首先应当明确空间激光通信技术最新进展:月球激光通信验证技术和欧洲数据中继卫星系统以及星间光通信工程试探技术,进而开展空间通信激光技术的进展趋势探究。通过探究空间激光通信技术最新进展与趋势可知,空间激光通信技术的广泛应用,是应时代的需求而生,具有必然性。将发达国家的空间激光通信技术应用到我国的空间宽带通信发展中,将为我国的空间宽带通信技术的发展带来巨大的推动力。 光通信技术论文:论述卫星光通信技术的发展与应用 摘 要:在现代化社会中,信息量的不断增加推动了通信技术的日益发展,促使通信技术运用的通信频段不断升级,最后形成了光波频段。因此,在航天事业中应用的卫星光通信技术的地位至关重要。卫星光通信技术是卫星通信技术中的新型技术类型。本文简单分析了卫星光通信技术的发展概况以及具体的应用,仅供参考。 关键词:卫星光;通信技术;发展与应用 随着我国卫星技术的进步和社会对信息的需要,需要使用卫星进行信息传播的情况越来越多,为了保障信息的实时性和快速性,需要卫星通信过程中越来越高频段的使用。同时,现代化的卫星星座技术的提高也需要星间链路的建立,利用激光远胜于使用微波,但是激光产生的降雨影响比较大。通过选择适当的波长和在不同的地点分设地面站的方式,可以有效地克服激光带来的不良影响。卫星光通信技术具有广阔的发展空间。 一、卫星光通信技术的工作原理 首先,在对地表网络系统中的通信信号进行处理后,经过编码和调控,将通信信号加载后使其进入地球上的激发发射设备中,促使激光脉冲的信号发出,发射的工作通过光学卫星天线进行。在大气层的通道处理后,借助通信卫星来负责接收信号、进行解调,在卫星上实现光通信技术,将信号转输到地面的光学卫星天线上继续工作、进行译码、解调的任务,进而达到两个卫星地球站的全光双工通信的目的。 二、卫星光通信技术的基本特征 与一般的卫星微波相比,卫星光通信技术具有很多特征。包括: (1)拓展了新型的卫星通信渠道,扩大了卫星通信的容量,使数据传输的速度达到100Gb/s,而且运用卫星光通信技术具有潜在的优点。在现阶段,我国的卫星中的微波带宽度是2GHz( Ku波段和C波段)左右,但是激光的频带宽大于105GHz,通信设施中不会有多余信号的干扰。 (2)减轻了卫星通信设备的重量,特别是对于卫星运载的设施来说,重量的减轻能够降低耗费的能源量。有利于延长卫星的使用年限,提高星上的处理效率。 (3)增强了卫星通信过程的保密工作。使用激光进行卫星通信能够起到有效的指向作用,而且发射过程中的激光束很窄,一般的发散角都属于毫弧级别的,因此在通信过程中具有良好的保密性。 (4)卫星光通信技术能够有效的避开干扰因素,而且要优于卫星微波通信技术。 (5)卫星光通信也具有明显的缺点。最重要的是激光星地链路受大气中的降雨、烟尘、雾霆的影响比微波大。 三、卫星光通信技术发展的现状 现阶段,卫星光通信技术已成为卫星技术中的研究热点之一。对于卫星通信网,实时通信必须建立星间链路。建立星间链路所采用的波段可有两种选择:微波波段和光波波段。目前,卫星微波通信使用的频段在300MHz到300GHz之间,而卫星光通信的频段为300THz。可见,采用光波段进行通信时的通信调制带宽可以显著增大,通信的数据率可达数Gb/s或更高。激光通信终端具有较小的终端体积和重量,极大的降低了发射成木,同时具有很强的抗干扰能力和保密性,又可减少地而站数量,因此卫星光通信技术已日益成为各国研究的重点,美国、欧洲、日木等已全而开展了此方面的研究,目前已进入空间试验阶段。 随着低轨小卫星数量的显著增加,需要高数据率、低功耗、体积小、价格低的星上通信终端,激光星间链路终端正是满足了这种需求。而商业需求和空间信息高速公路的发展,对激光星间链路技术的要求更加迫切,这些商业需求已经成为美国和欧洲等国激光星间链路研究的巨大推动力,并正促使其向商业应用转化。美国NASA正在寻求激光星间链路的潜在应用并作了相应计划,要求工业界要考虑实际需要生产,欧洲工业界也已开始了对可获利的激光星间链路市场的竞争。 日本开展卫星光通信的研究尽管较晚,但是进展却很快。日木已于1995年利用装于ETS-VI卫星上的光通信终端成功地与地而站进行了光通信实验,尽管此次实验的数据率仅为1.04 Mb/s,但这是世界上首次成功进行的星地光通信试验。日本的宇宙开发事业团(NASDA)还将与ESA共同进行卫星光通信的实验,实验将在日本的光学星间通信试验卫星与ESA的ARTEMIS之间进行。 然而,我国在卫星光通信领域的研究起步较晚展到实质阶段.与欧、美、日等国的差距较大。因此,我们必须高度予以重视,提高卫星光通信领域研究的投入。借鉴国外的经验,加快研究的进程,力争尽快赶上世界发达国家的研究水平。 四、卫星光通信技术的应用 1、数据中继 如低轨地球观测卫星landsat,它所取得的庞大数据通过同步卫星TDRS(踉踪和数据中继卫星)传送到地球站。如果地球站直接接收中、低轨卫星所取得的数据,就必须在地面均匀地配置多个地球站,因为一个地球站可以接收的轨道范围有限。这样的系统将是非常昂贵的。而且在星上搭载数据记录设备,当卫星进入地球站视野时传送所记录的数据。因记录容量有限。对于要不断获取多信道图象数据等庞大数据的系统并不合适。为此,引入通过同步轨道上的中继卫星。将数据传送到地球站的系统。该系统只需三顺同步卫星,就可覆盖低、中轨卫星的几乎所有轨道。也有人提出将这种系统用于象闪电卫星那样的椭圆轨道卫星与GEO卫星间的中继。 2、编组应用和数据交换 在世界范围内,InteISAT卫星在卫星通信过程中的使用已经将近30年了。现阶段,在大西洋、太平洋等地区的上方都分别有4~7颗正在运行的卫星或者备用的卫星,在对应的通信轨道上运行。这些卫星借助微波组成的路线实现与不同地区间的地面站的联系工作。为了满足将来通信世界的各类需求,需要在众多的轨道上,使用编组的方式,将多个相邻的卫星联结在一起。从某种程度上来说,如果不同地区的地面站打算与同属一组的某一颗卫星组成微波线路,地面站需要与同组内的任意一颗卫星互换所得的工作数据,同时还需要与其他地区的地面站之间统一进行数据的储存和获取。这样的做法有利于提升卫星微波的频率,同时还能够提高卫星轨道的使用效率。在卫星光通信技术适用的过程中,光ISL技术受到干扰的程度最小,在系统的联结工作中具有较大的灵活性。 3、支持卫星发射和深空通信 ISL技术还可用于卫星发射时对火箭的跟踪、控制.或支持卫星入轨。该技术已在发射使用TDRS系统的卫星和宇宙飞船时使用。此外,在深空通信中,用光能在比微波宽得多的频段上建成高效率的通信系统。 五、结语 在信息资料的传播工作中运用光频段的手段是现代化卫星通信技术发展的必经之路。在卫星技术工作的过程中,卫星光通信技术的进步不但能够适应现代化卫星技术进步的过程,同时其过程的研究也具有非常关键的现实意义。卫星光通信技术有利于保证我国航天事业和航天技术在世界上的排名,能够增强我国的国防实力和民族实力。研究卫星光通信技术的概况与应用,有利于卫星光通信技术的进一步创新,对我国具有重大的意义。 光通信技术论文:室内LED可见光通信技术分析 摘 要:本文主要分析了LED可见光通信的基本原理及关键技术,然后就LED可见光通信的未来应用进行展望,以期促进LED可见光通信技术的发展与完善。 关键词:室内LED;可见光通信;应用展望 LED可见光通信系统具有十分广阔的应用前景。但当前LED可见光通信技术还不够成熟,距离商用还有一定差距,仍需要我们不断加强研究以进一步优化系统的各项性能。 一、室内LED可见光通信原理简介 室内LED可见光通信的基本原理是利用灯光的“明”和“暗”来分别表示数字信号“0”和“1”,然后将广播、图像、音频、影像等待发射的信息调制后加载到LED灯光上,通过LED灯光的高频闪烁将信号传送出去。由于LED响应速度极快,不会对人眼造成影响,因此能够在正常照明的同时实现无线通信功能。在信号接收端一般设置有光电探测元件,可以对接收到的可见光信号进行放大和解调处理,进而将其重新还原成广播、音频、影像等信号。 二、室内LED可见光通信的关键技术 1.光源布局 一般情况下,光源布局要考虑两点:一是组成阵列光源的内部LED灯的数量及排列方式;二是整个室内LED光源的分布。在室内光源设计中,为满足国际照明标准,通常将LED光源设计为白光LED阵列形式,构成各LED阵列的LED个数由LED间隔大小决定,而间隔大小需要综合考虑中心区域的光强度。在LED排列问题上,则要充分考虑信号接收面的照度要求与光强分布。同时在设计LED数量及排列时,还要考虑码间串扰问题。为提高通信质量,还应结合房间大小及内部设施陈列,尽量使室内同一水平面上的光功率保持一致,防止出现通信死角。此外,考虑到行人、设施等造成的遮挡,不可避免地会产生一些阴影区,对此可通过增加光源数量来减少阴影效应,但过多的光路径又会引发严重的码间干扰,因此根据室内实际情况科学设计LED阵列光源是提高通信效果的关键。 2.驱动电路优化 LED可见光通信系统设计中有一个非常重要的参数――调制带宽,它直接影响着LED调制能力的高低,进而决定着无线光通信系统的传输速率。调制带宽通常取决于有源区载流子复合寿命与PN结电容,在LED制造过程中,普遍采取的措施为减少载流子复合寿命与控制寄生电容,或者使用多芯片型白光LED,除此之外,通过对驱动电路进行优化设计也能有效地提升调制带宽。在综合电磁、噪声、温漂、光功率补偿等干扰因素的基础上,LED可见光高速调制驱动电路可设计为以下形式,如图1所示。 其中,BG代表晶体管,Dz代表稳压二极管,BG1与BG2构成发射极耦合式开关,BG3和Dz构成恒流源电路,能够稳定地为LED支路供应驱动电流。又因为此电路超出了线性范围工作,就算输入端过激励,也不会出现饱和,故开关速率十分高,理论上这种电路可实现300Mb/s的信号调制。 3. OFDM技术 OFDM即正交频分复用,该技术的主要原理就是把高速串行数据转变为相对低速的多路并行数据,然后分别对不同的载波加以调制。OFDM技术拥有极强的抗多径能力,如今已在高速无线通信中得到了普及应用。在LED可见光通信中,由于多路径会导致码间干扰,严重影响系统传输速率,因此通过引入OFDM技术来控制码间干扰是一个十分理想的选择。 目前,已有研究人员针对OFDM在LED可见光通信中的应用提出了一些可行方案,其中比较成熟的一种方案如下:该方案由LED照明阵列、电力线调制器、OFDM解调器3部分构成,信源电信号在发射端完成OFDM编码,并通过一直流偏置实现对LED光源的调制。经调制的光信号在接收端完成解调,并通过提取导频信号实现对信道状态的实时监测和更新。OFDM应用于无线光通信系统时,需要将高速串行数据以并行方式调制到多个正交子载波上,以减少码速率、消除码间干扰,同时还要在各OFDM符号间添加保护间隔,以彻底除去残余的码间干扰。 4.信道编码技术 赵俊、陈长缨研发了一种能够用于LED可见光通信的mBnB分组编码技术。该技术所采用的分组码在通信领域中已有十分广泛的应用,通俗而言,就是把原始信息码字以m比特为单位加以分组,并按照特定规则,以另外每组为n比特的码字进行表示,最后将新得到的分组用NRZ或RZ码的格式传输出去。其中,m n,且两者都是正整数,通常n=m+1。目前比较常见的编码形式有1B2B、3B4B、6B8B等。这种编码技术的优点如下:一是功率谱的形状相对较好;二是消除了基线漂移现象;三是能够稳定地进行误码监测和字同步。已有研究表明,6B8B编码的光信号在0.5m~2.5m距离内的通信十分稳定,不会因LED数量、串口模块分频等因素而受到显著影响。采用6B8B编码,能够在确保信号高速传输的基础上,使通信距离突破2.5m。 5.分集接收技术 分集接收的基本原理就是在接收机上设置多个方向的光电探测元件,并对不同方向上探测到的信号加以对比分析,然后选择其中信噪比最大的信号来完成通信,该技术在解决码间干扰和抗阴影效应方面具有良好的表现。在设计分集接收电路时,需要按照信号传输速率的高低将其分成两类:在通信速率较低的情况下(一般将100M以下作为低速率),使用低速率分集接收装置,即直接对多个信号进行叠加,从整体上增强信号功率。在传输速率较高的情况下,考虑到码间干扰问题,无法对信号进行简单叠加,需要增加一个专门的控制电路来进行信号评估和选择。通常而言,在高速通信过程中,直射链接方向的信噪比最高,因此优先将最贴近直射链接的方向作为信号接收方向。在采用分集接收技术的光接收机上,探测器尽可能均匀地分布在一个半球面上,从而能够以较少的探测器数量实现多个方向上的稳定接收效果,除非接收机被整个遮挡才有可能出现信号中断。 6.自适应传输技术 自适应传输技术能够有效克服LED可见光通信中的信噪比波动问题。在自适应收发器的发射端,有一个专门的DSP(信号处理器)负责机电定向系统的实时控制。DSP在通信系统中的普及和应用,在一定程度上改善了系统的信噪比,并且灵活性更强。同时,对于白噪声、多路径干扰等,也能够通过相应的信号处理手段加以解决。在自适应收发器的接收端,由于使用了单一的光电检测器,使得光前端设计大大简化,并通过某种定向机制使光能量作用于单个信道,从而减小了接收端视场,有效避免了环境噪声对通信稳定性的干扰,增强了系统对多路径畸变的抵抗能力。 三、LED可见光通信技术的应用展望 LED可见光通信技术有着十分广阔的应用前景,只要是基于LED的照明和指示装置均可以通过增加通信功能而获得一些全新的用途。例如,在博物馆中,可以在LED指示灯中加载相关展品的解说信号,只要游客携带了具有可见光通信功能的移动设备,就能随时获取展品的解说信息;在LED大屏幕或广告牌上加载相应的信号后,人们可以直接用手机等设备下载屏幕上的内容和信息,如广告信息、交通信息等;在车辆照明领域,可以为汽车前照灯增加信息传输功能,将车辆载重、车牌号、车速等信息自动发送到各类交通监测装置上,轻松完成缴费、登记、测速等功能,极大地方便了车辆信息的采集和管理,同时车辆尾灯也可用于向后面的车辆发送刹车、路况等信息,从而大大提高交通运输的安全性。 结语 LED可见光通信技术不占用无线频谱资源,可以直接对无处不在的照明灯光加以利用,在节能环保的同时实现高速无线通信功能。但目前该技术仍处于实验研究阶段,虽然研究人员已经针对光源布局、驱动电路优化、OFDM、信道编码等进行了大量的研究工作,但依然有一些技术难关亟待人们去攻克,相信在研究人员的不懈努力之下,LED可见光通信技术必将在未来社会中大放光彩。 光通信技术论文:光通信技术在电力通信系统中的应用研究 摘 要:随着社会的发展,电力通信系统已经成为社会主义市场经济持续进步的关键点所在。但是经济的发展和社会的进步对电力通信系统提出了更高的要求,不光要求成本的降低,还需要性能的提升。将光通信技术应用在电力通信系统中,不仅可以大幅度降低电力通信系统的运行成本,还可以提高整个电力通信系统的稳定性。因此,文章从电力通信网存在的问题入手,首先分析了光通信技术在电力系统中的应用,然后研究了光通信技术在电力通信系统中应用的关键点,以期为相关的研究提供可参考的意见。 关键词:光通信;电力通信;应用关键 1 电力通信网存在的问题 电力通信网主要分为电力配电网和电力调度网两种,主要是以电压为依据对两者进行划分。在整个电力系统中,电力通信网发挥着至关重要的作用。 因此,要进一步推动电力通信网的发展,满足当前社会的需求,就必须从当前电力通信网存在的问题入手,然后研究改进的措施。以当前的实际情况而言,电力通讯网存在的问题主要有以下两个。 1.1 DWDM设备组网不能满足实际的需求 以目前的实际情况而言,我国的大多数省份还在延用较为传统的MSTP设备组网,只有很少的一部分在使用DWDM设备网。但是,随着我国只能电网的不断发展,整个电力通信网络的负荷越来越大,已经不能满足社会的实际需求。这在一定程度上阻碍了我国电力通信网络的发展,迫切的需要系统升级。 1.2 自动化水平较低 在我国电力通信网络的发展中,长期存在着“重发轻供不管用”的现象。因此,电力通信网络的自动化水平很低,电力网架的结构也较为薄弱。 特别是在近几年中,社会的需求越来越大,当前的设备已经远远不能满足需求。因此,迫切的需要进行智能化的建设,提高供电水平,保证电力通信网络的正常运行。 2 光通信技术在电力系统中的应用分析 社会的发展给技术的进步提供了动力,电力通信网络的技术也是如此。由于社会的需求,电力通信网络的技术发展速度较快,在短时间内就趋于成熟。在电力通信网络中,光通信有着重要的作用,将之融入到电力通信系统中已经成为必然趋势。 光通信技术有三个发展的过程,也是三次技术的改革,代表技术分别是SHD技术、MSTP技术和ASON技术。在我国的目前阶段,ASON技术的应用最为广泛,也是最大化的缩小了我国和国际之间的电力通信技术差距。 ASON技术集合了信号的交换和传递,通过信号指令来完成一些列的需求动作,是一种新型的光通信技术。SHD技术、MSTP技术在不同的阶段也发挥了不可替代的作用,但是其电路保护和传送电路的技术还很不成熟,在发展中逐渐显露出了自身的弊端。因此,ASON技术发展了起来,不仅结合了前两者的优点,更实现了电路保护和维持电力网络的稳定性,给国家电力通信系统的发展和完善奠定了基础。 光通信技术在一定程度上对科学技术的依赖性较强,也需要较好的载体。以目前的情况而言,光通信技术需要电力光缆作为其载体。而我国的电力光缆数量以较快的速度增加,实现了大范围的覆盖,给技术实现提供了可能。 基于此,作为当前光通信技术的优秀,ASON技术融入到了当代电力通信系统中,增强了电力通信网络的功能,提升了其运行的质量,已经成为我国电力通信系统的技术发展趋势。 3 光通信技术在电力通信系统中应用的关键点 光通信技术应用在电力通信系统中,不仅提高了电力网络运行的安全性,还增加了电力通信网络的传输功能。因此,在科学技术高速发展的社会环境下,把握好光通信技术在电力系统中应用的关键点,将有利于提升光通信技术与电力通信网络的融合,推动电力通信网络发展的同时使光通信技术更加成熟。具体而言,光通信技术在电力系统中应用的关键点主要体现在以下几个方面。 3.1 组网方案的确定 光通信技术在电力通信网络中的组网方案主要有两种。第一种方案是以网络技术为前提,然后再引入光通信技术,然后把电力通信网络进行优化,实现其传输的标准化改造。 网络技术是这种方案的关键点,需要把软件和硬件配合起来,然后引入光通信技术,完善传统的电力通信网络。这种方案的优点就在于不仅实现了电力通信网络和时代的结合,更加快了电力通信网络反应的速度。第二种方案是在电力通信网络和光通信技术融合后再加入网络技术,和第一种方案的区别就在于,这种方案是在确定的传输平面下展开的,可塑性较弱。但是这种方案更加稳定,传输效率也更高,能够保障电力通信网络传输安全性。 电力通信网络融合光通信技术后的组网方案各有利弊,因此在选择的时候一定要考虑到自身的实际情况。特别是不同的技术要求和结构框架性能的要求,一定要从整体出发,挑选组网方案时,综合利弊,科学的选择组网模式。当然,电力通信网络的组网方案也有很强的灵活性,当工作有特殊的需求时,可以自主增加相应的模块,完善电力通信网络的性能。电力通信网络的组网方案确定后,其性能和框架虽然可以有小的调整,但是大的结构已经确定下来,若是选择错误,将对整个电力通信网络造成较大的影响,甚至影响电力通信网络的正常使用。基于此,选择组网方案的时候,一定要合理,切合实际的需求。 3.2 设施设备的选择 科学技术的发展给我们的生活带来了更多的便利,同时也对其运行的设施和设备提出了更高的要求。电力通信网络也是如此,特别是其优秀的光通信技术,对设备的依赖性很强,这是发挥其性能和优势的基础所在。因此,要建立标准化和规范化的电力通信网络,必须选择最恰当的设施和设备。在选择设备的时候,可以从以下几点入手考虑。 3.2.1 通用性和安全性的考虑 为了保障电力通信网络的正常运行,在遇到突发情况的时候也可以正常工作,在设置网络节点槽位数量的时候,一定要多预留几个出来,同时总线路带涉及的范围也要更广,这是从整体出发,保障设备的安全性。同时,在设备的选择时,一定要考虑到通用性,方便设备发生故障后的维修和更换。 3.2.2 卡板的挑选 在挑选卡板的时候,必须严格按照工程的要求进行,给卡板留出备份选择。卡板是线路排布的重要零件,选择卡板直接涉及到了后续的传输系统。因此,要从工程的整体入手,结合实际的情况,针对性的选择卡板。 3.2.3 设备的契合性 在选择设备的时候一定要符合光通信技术的要求,从现阶段的任务要求考虑实际的设备选择。若基本性能要求无法满足光通信的需求,就会造成后续的设备无法正常使用,严重影响电力通信网络的性能。 3.2.4 线路安排的分散性 电力通信网络的多方线路要尽量分散在不同的业务卡板内,这就可以避免单个卡板的损坏影响到整个电力通信网络。可以采用分线的方式,选择恰当的分线设备,使不同的业务卡板在电力通信网络中承担想同的作用。这样,当一个业务卡板发生问题后,不会影响电力通信网络的整体,保障电力通信网络的正常运行。 3.3 业务规划分析 光通信技术最大的优势就在于它可以提供不同层次和不同性能的网络传输服务,因此电力通信系统在规划业务的时候就可以从自身的实际情况入手,挑选利益最大化的方案和措施。 首先要考虑的就是业务和业务之间的距离最短,这样就可以最大化的节约成本,使运营的收益最大化。 其次,在距离想同的基础上,要选择跳数最少的网络,保证电力通信网络运行的稳定性,减少维护的支出。 最后,还要保证网络负荷的均匀,这样可以给电力通信网络的运行增加一层保障。在后期的运行中,还要有效的观察和监督电力网络通信的观察,根据实际情况管理网络中的项目,最大化的发挥光通信在电力通信网络中的优势。 电力通信网络的运营也有商业化的性质,需要靠盈利来维持日常的工作,还需要靠业务的合理性规划来实现自身的完善和发展。因此,电力通信网络的业务规划可以从商业的角度考虑,然后结合科学的分析,找出最优的规划方案。而具体的方案就是从光通信的特点入手,分别分析其运行的特点和运行的成本,然后综合考虑相应的取舍,最终实现业务的合理规划。 光通信技术在当代电力通信系统中有着极其重要的作用,虽然在较短的时间内取得了很大的发展,但是也有自身的问题存在。在实际的应用中,一定要结合自身的实际情况,在实践中不断检验和完善,让其发挥应有的作用,推动国民经济的发展。 4 结 语 光通信技术在电力通信网络中的应用较为广泛,很好的解决了传统技术的弊端,让电力通信网络的发展更加迅速。本文分析了电力通信网络的问题,也针对当前光通信技术在电力通信网络中的应用分析了关键点,希望可以给电力通信网络与光通信技术的更好融合提供一定的参考意见。 光通信技术论文:可见光通信技术仍存缺陷 近日,国内可见光通信技术取得重要突破,该技术的产业化可能和商业前景得到了广泛的关注。 可见光通信技术是一种新型的无线通信技术。它将通信和照明合为一体,具有节省能源的特性。与此同时,高速数据传输能力和不占用通信频谱资源也是可见光通信技术引起广泛关注的重要因素。然而,该技术也有其局限性和适用场景:例如传送光线不能够被阻挡,基本不具备通信穿透能力;波长太短导致受散射、反射、多径的影响很大;适用业务场景暂时不够清晰等。 德国物理学家Herald Haas正计划利用该技术拓展未来可以与目前传统WiFi技术形成互补的Li-Fi技术。这一预期中的技术能带来很高的数据传输速度。而且,Haas在技术设计中,希望能够充分利用目前的可见光设备,在不需要频谱监管的情况之下开展高速通信。通过这两种相互补充的技术,目前WiFi技术所出现的带宽不足、接入不稳定等问题有望得到解决,尤其是在一些点对点需要高速数据传输的场合―例如医院内的海量检测数据的高速传送场景。 可以预想的是,短期之内,可见光通信技术还将会在一些特种行业或是具有特殊非移动环境下高速数据传送的应用中使用,而不会成为WiFi或是蜂窝移动通信技术的竞争者。技术的应用范围和领域应该是作为主要通信技术的补充性技术,在行业应用领域会带来非常丰富的想象空间。 在普通民用场景方面,该技术存在以下缺陷。例如难以具备移动性、需要点对点在通信过程中连接、穿透能力弱等。因此该技术在普通民用场景目前难以实现产业化。 可见光通信技术如果能够成功地实现产业化,那么能源将被可见光替换,能源和信息的分布式网络将能够共享实现。或许到了那一刻,我们才能够真正体会到该技术对社会变化的真正推动。 光通信技术论文:LED可见光通信技术在专利申请中的演进 【摘要】 LED可见光通信技术利用LED照明设备进行高速通信、数据传输,具有广阔的应用前景。本文对LED可见光通信技术在专利申请中的主要技术分支演进行介绍。 【关键字】 LED 可见光通信 专利 演进 一、引言 可见光通信作为一种新兴的无线通信技术,具有如下优点: 1、可见光通信技术利用LED灯可以高速调制的特性,既实现了照明,又实现了上网通信; 2、可见光通信技术无电磁污染; 3、可见光通信技术具有高速通信的能力。 因此,可见光通信正受到越来越多的瞩目。 二、LED可见光通信技术在专利中的演进过程 笔者使用如下关键词在专利库中进行检索:可见光通信(Visible Light Communication,VLC); 发光二级管(lightemitting diode,LED)。检索截止时间为2014年5月29日,获得287篇发明专利文献。基于可见光接收端装置、发送端光源、通信中调制方式三个方面对主要技术分支演进进行介绍: 2.1 可见光通信在接收装置中演进 申请日为2003年,申请号为JP2003183092的专利公开了一种通过接收LED光来接收通信信息的可见光信息接收方式;申请日为2004年,申请号为KR20040056593的专利公开了一种使用摄像机接收通信信息的可见光信息接收方式;申请日为2005年,申请号为JP2005088869公开了一种使用照相机接收通信信息的可见光信息接收方式;申请日为2007年,申请号为JP2007063809公开了一种通过太阳能电池面板的输出变化来检测接收的照明光,并对接收到的照明光进行解调、显示的可见光信息接收方式。 2.2 可见光通信在发射端光源中演进 申请日为2005年, 申请号为JP2005088869、JP2005265694的专利公开了一种使用多色光源发送通信信息的可见光信息发送方式;申请日为2008年,申请号为JP2008196165的专利公开了一种使用单一光源,在回射光中叠加数据的可见光信息发送方式;申请日为2010年,申请号为EP10720372的专利公开了一种使用单一光源,借助于脉宽调制光源(LED)进行数据传输的可见光信息发送方式;申请日为2011年,申请号为CN201110190263的专利公开了一种使用白光LED驱动电路进行数据传输的可见光信息发送方式;申请日为2012年,申请号为CN201210060963的专利公开了一种使用有机电激发光二级管OLED数据传输的可见光信息发送方式。 2.3 可见光通信在通信调制方式中演进 申请日为2008年, 申请号为JP2008298941、JP2008298942的专利公开了一种使用OFDM进行可见光信息调制的方式;申请日为2011年,申请号为CN20118000246的专利公开了使一种用OFDMA调制发送,SC-FDMA接收的可见光信息调制方式;申请日为2011年,申请号为CN201110190263的专利公开了一种使用CJ-OFDM调制的可见光信息调制方式;申请日为2013年,申请号为CN201310167388、CN201310343233的专利分别公开了一种使用码分多址扩频的可见光信息调制方式以及一种使用OFDM调制,分频接收的可见光信息调制方式。 三、审查实践应用示例 通过对LED可见光通信专利技术演进的梳理,可以帮助审查员在审查时快速理解所审案件涉及的技术手段处于该领域发展所处的阶段,并迅速找到对比文件。 申请号:201210060944; 发明名称:基于LED可见光通信的智能照明系统; 申请人:郭丰亮 本案权利要求如下: 1.一种基于LED可见光通信的智能照明系统,其特征在于,包括:传感器模块、LED可见光通信模块、调整模块,所述传感器模块将感应到的信息送入LED可见光通信模块,所述调整模块根据传感器模块检测到的信息对LED灯进行调整,所述传感器模块通过所述LED可见光通信模块与所述调整模块连接。 首先判断本申请属于LED可将光通信领域的申请,技术效果是利用LED可见光通信技术实现照明系统在自控制时的数据传输。然后通过对LED可将光通信专利技术发展路线的梳理,可以很快定位到技术发展路线中的照明系统自控制分支,并且现有技术中已经有大量采用LED可见光通信技术来解决照明系统中的信号传输问题,如2011年8月公开的CN102164436A专利申请,其发明名称即为基于可见光通信接收机的自适应照明系统,显然该申请的技术方案也是通过可见光通信技术来解决照明系统中的信号传输问题,因此将其作为对比文件用来评述三性,从而可以提高检索效率。 光通信技术论文:新型材料有望带来超快全光通信技术 美国普渡大学研究人员开发出一种新的“等离子氧化材料”,有望带来超快全光通信技术,至少比传统技术要快10倍。相关在美国光学协会的《光学》杂志上。 光通信是用激光脉冲沿光纤来传输信息,用于电话服务、互联网和有线电视;而全光技术无论是数据流还是控制信号都是光脉冲,不用任何电信号来控制系统。论文第一作者、博士生纳萨尼尔・金赛说,对数据传输来说,能调制反射光的量是必要条件,“我们能设计一种薄膜使反射光增加或减少,利用光反射的增减来编码数据,反射的变化会导致传输的变化。” 研究人员证明了铝掺杂氧化锌(AZO)制造出的光学薄膜材料是可调制的。他们用铝掺杂氧化锌,在氧化锌中浸满了铝原子以改变材料的光学性质,使它在特定波长下变得像一种金属,而在其他波长下像高电阻介质。AZO薄膜的折射率接近于零,它能利用电子云状的表面等离激元来控制光。脉冲激光会改变AZO的折射率,从而调制反射光的量。这种材料能在近红外光谱范围工作,可用在光通讯中,并与互补金属氧化物半导体(CMOS)兼容。 研究人员的设想是利用这种材料来创造一种“全光等离子调制器”,或叫光学晶体管。在电子设备中,硅基晶体管负责开关电源、放大信号。光学晶体管是用光而不是电来执行类似任务,会使系统运行大大加速。用脉冲激光照射这种材料,材料中的电子会从一个能级(价带)移动到更高能级(导带),留下空穴,并最终与这些空穴再次结合。晶体管开关的速度受限于完成这一周期的时间。在他们的AZO薄膜中,这一周期约为350飞秒,比晶体硅要快约5000倍。把这种速度提升转化到设备中,至少比传统硅基电子设备要快10倍。
电动力学论文:关于电磁学和电动力学两门课学习的体会 摘要:电磁学和电动力学两门课既有独立性又相互渗透,根据电磁学和电动力学的关联性,在学习时注重知识间的横向和纵向联系,注重从个别到一般、从特殊到普遍的学习方法,注重数学知识的运用将更易于学好电磁学和电动力学这两门课。 关键词:电磁学;电动力学;体系;矢量 电与磁不仅是我们生活中常见的现象,也是物理学科中的一个重要组成部分。从初中开始我们就已经接触有关电与磁的基本概念,高中的时候我们研究一些电流、磁现象的基本规律以及一些基本的场问题,在大学物理的学习中,电与磁仍然是我们要深入研究的对象,电磁学和电动力学这两门课就是研究电磁场理论及其应用的。但相对于电动力学来说,电磁学所研究的对象和所需要的数学知识工具都比较简单,通过对电动力学和电磁学的教学研究以及对关联知识之间的思考,笔者认为以下几点对同学们学好电磁学和电动力学有很大帮助。 一、树立学科体系思想,注重知识间的横向和纵向联系 电动力学和电磁学两门课程所涉及的都是电与磁的理论基础。电磁学以处理稳态情况为主要内容,主要讲述电磁现象的主要概念和规律,可以说是对高中电磁知识的丰富和延伸;电动力学则是从麦克斯韦方程出发,讨论电磁场和电磁波的性质及其在各种条件(真空,介质)中的应用。两门课程既有独立性又相互渗透,内容上有深刻的联系,这为两门课程的关联学习创造了自然条件[1]。我们在学习的时候要注意知识间的横向和纵向联系,以便形成一个有条理的、层次分明的学习体系。 从这些基本规律之间的联系我们不难看出这两门课程之间的紧密关系,因此,在学习的时候要有目的地将电磁学和电动力学课程进行关联学习,要注意前后知识之间的联系,利用知识点之间的联系将两门课程形成一个有机整体,这样更容易将繁杂的电磁知识归类,有助于促进两门课程学习的相辅相成,在已有的基础上学习将更容易掌握有难度的知识点。 二、注重“从个别到一般”、“从特殊到普遍”的学习方法 在学习电磁学内容和电动力学中的麦克斯韦方程组后,很多同学都认为麦克斯韦方程组就是综合库仑定律、安培定律、毕奥-萨伐尔定律和法拉第电磁感应定律并补充了位移电流的效应后的结果,其实这种认识是不够确切的。如果你分别用库仑定律和麦克斯韦方程组去求解等速运动带电粒子的电磁场,就会发现所得两个结果是不一样的。这是因为库仑定律作为静电场的规律,其中既包含了电磁现象的普遍规律又有其自身的特殊性。所以在学习的过程中要注意各个规律的适用性。 在我们学习的过程中,我们通常都是从特殊情况开始学习的。因为特殊条件都是比较简单的情况,而一般现象就会比较复杂,就会涉及更多的变量。怎样才能从个别的、特殊的现象得到一般的、普遍的规律,这就需要我们对那些特殊的规律进行一分为二的透彻分析,既要明白定律的特殊之处在哪里,又要深刻理解其中蕴含的普遍意义。因为普遍性的东西就包含在一些特殊的情形中,而特殊规律虽然有其特殊地适用范围,但其中必然包含着一些普遍规律。通过认真分析,我们就要分辨出那些特殊定律中有哪些是特有的,哪些部分又具有普遍的意义。 从以上这些例子不难看出,物理学中许多一般性的定理的产生,都是在不断总结特殊情况下的规律并加以修正而得出的。因此,我们在学习电磁知识的时候一定要注意把握“从个别到一般”、“从特殊到普遍”的学习规律,这样才能更好地学习和理解物理世界的奥秘。 三、利用数学知识把握电磁学和电动力学的学习 从许多的例子都不难看出,矢量分析对我们学习电磁知识有很大的帮助,好好利用矢量这一数学工具将使我们在学习电磁学和电动力学这两门课程的时候能更好地形成一条主线,更好地由浅入深地掌握电磁场的各种性质和运算。 作者简介:冯浩(1974-),男,海南昌江人,琼州学院理工学院副教授,硕士,研究方向为物理课程与教学。 电动力学论文:有关重金属污染土壤的电动力学修复研究 摘 要:在本案,为了对受过重金属污染的土壤其电动力学的修复性能进行研究,笔者自制了实验装置,采取提高电压法和间歇断电法两种办法,实现了单一重金属污染土壤中重金属去除率的提高,该实验取得了预期的效果,与此同时也研究了多离子污染土壤的电动修复。 关键字:重金属污染 土壤 电动力学 修复研究 就现阶段科技发展的水平而言,能为修复受过重金属污染的土壤提供多种方法,在这些方法中,属电动力学最优,理由是它对土壤的负面影响小,且修复效果好、修复速度快。该方法被广泛应用于各工程领域,包括:地基化学灌浆、工程排降水、土壤修复等。 在本案,笔者认为只有完全熟知土壤电动力学修复的相关影响因素,才能把握住土壤电动力学修复的关键。土壤修复的影响因素包括:电流大小、电势梯度、电极材料、土壤酸碱值、重金属性质、受污染土壤的特性等。基于电动力学的实际应用效果,在原有基础上又研究开发出能实现电动力学的更高效以及应用更普及的手段:阳离子选择膜法、pH值中和法、Lasagra法、络合剂法、氧化还原法等。但是这些方法的实际应用中,或多或少均存在诸如:引起二次污染、成本过高、应用复杂、添加外加剂等问题。所以,电动力学的研究落脚点就在于:电场时间的控制、外加剂的添加、电位的损失、金属离子间的彼此作用等。 针对上述问题,笔者选取提高电压法与间歇断电发两种方法,通过自制试验研究电动力学对受到镉离子污染的土壤的修复,以及处理Pb/Cd/Cu三种复合离子的效果。 1 试验 1.1 实验材料 (1)所需仪器:全自动电化学分析仪酸碱值测量,DDS-11A型电导率仪,电压、电流均很稳定的YJ83/2双路直流电源,3510型原子吸收光谱仪金属质量分数的测量。 (2)试验土样(如表1)。 (3)试验试剂:硝酸铅、硝酸铜、硝酸镉皆为分析纯。 1.2 试验手段 (1)试验装置(如图1) (2)制备试样:称取若干自然风干的土样以土壤含水量的实际需求为依据,通过湿土(含有1000 mg/kg质量分数的金属离子污染)计算出金属硝酸物的质量在50 mL去离子水中溶入硝酸物加入土样并选取搅拌棒进行充分搅拌至均匀加水达到实验需要的含水量将分为5层的污染土样分别装入模型的土壤室分层压实后整平土柱表面安装到实验模型上。 (3)分析手段:试验中,阴极溶液池3~4间的酸碱值可以选用醋酸进行控制对溶液池的电导率、酸碱值以及系统中的电流进行监测试验后,分割土样至8段,分割标准为10 mm/1段分别对土样的金属离子质量分数、酸碱值、电导率、含水率进行测量。 土样中金属离子质量分数的测定:分段取出0.01 g地土样放置入100 mL规格的磨口锥形瓶浓硝酸的足量添加选取超声波振荡1 h、静置12 h选取离心机对其进行离心操作取出上清液选取蒸馏水定容至250 mL采取原子吸收分光光度法对Cd离子的浓度进行测量计算出土壤中金属的质量分数(对样品分别备置两份分析资料,求取平均值)。 土样酸碱值的分段测定:风干土样比五的土水质量添加入离子水通过超声对其振荡30 min、静置30 min提取悬浮液搅拌悬浮液测定悬浮液的酸碱值。 (4)计算去除率以及电能消耗: 2.1 提高断电法与间歇断电法的结果分析 下图为EK10/EK11段土样的酸碱值、电导率、含水量、Cd理智质量分数: 由图2可得出:在实验过程中,阴极的酸碱值如不能得到控制,土样在2/3阳极地方会有一个PH值过渡区,原因是阴极处产生的OH-不断往阳极迁移的速度是阳极处产生的H+不断往阴极迁移的速度的1/2倍。由图2可以得出本案中笔者选取的试验对阴极酸碱值采取了控制办法:将醋酸添加入阴极池至土样呈酸性,源于池中有OH-的出现,所以才会造成图2中所示的酸碱值由阴极向阳极递减的现象。由此可以得出:醋酸添加的时间与邻近阴极处得酸碱值有关。 由上图3中可以得出:电导率越靠近阳极、阴极的土样,其电导率越高,电导率呈“碗型”变化,但是土样处于土壤室中心的,其电导率处于极低的状态。高电导率土壤中H+ 的含量高酸碱值低近阳极;靠近阴极处电导率较高,理由是土样中存在源自阴极池的OH-,以及含量很高的Cd. 2.2 受多离子污染的土壤的电动修复 上述对各土样的酸碱值、含水量、电导率、Cd离子量的试验结果如图5所示。 (1)土样的电导率、酸碱值、含水率的电能消耗以及质量分数的呈现规律为:电导率―碗型;酸碱值―由阴极往阳极递减,整个过程都被控制在酸性程度;含水率―由阴极往阳极递增,初始含水率低于阳极端却高于阴极端。 (2)由图5可以得出:试验中选取的三类离子均在阴极的近处集结,Pb/Cu的质量分数,其第8段低于第7段。三类离子的去除率为:Cu―68.56%;Pb―75.31%;Cd―69.90%,其电能消耗均为5.0612 kJ/g。该实验结果与单一离子性质的电动试电动修复试验比较分析得出:电能消耗更高、离子修复效果更低,原因是多离子的存在可以实现初始污染浓度增长近三倍;离子间的彼此作用能够影 电动力学论文:有限元方法在“电动力学”中的应用研究 摘 要:电动力学作为一门理论物理的基础课程,是用数学语言来描述作为一门理论物理的基础课程,是用数学语言来描述,求解复杂电磁学问题的技术条件,同时也出现了加有限元方法等有效的计算方法。文章主要探讨有限元方法在“电动力学”中的应用研究。 关键词:有限元方法;电动力学;应用 光量子就是一种“左”和“右”的奇异偏振粒子,由于偏振的对称或不对称,而发生光波在干涉过程中的系统偏振化。苏联科学家瓦维洛夫设计的许多光学实验,十分有趣地说明了光的偏振是光学过程的基本现象之一。所有的实验都表明,光是一种粒子现象,而一切单色的运动的微观粒子群都表现为粒子的波的本性。 1 电动力学原理 1.1 光量子 电子是一个小旋涡体。光量子是由2个质量相等、自旋相反的电子在小黄道面(E平面)上结合的双粒子。 以化学键结合的电子偶,由于在双电子中间结合带,质点所受向心力被抵消,使质点沿圆切线方向被抛出,在反冲力推动下,光量子会沿曲率半径为无限大的圆“自己运动”,因此,光量子的静止质量等于零。在处理光量子运动学问题时,可将它比成一个按周期间歇振荡,在时间与空间中补充燃料质量近似等于喷出燃料质量,自己推进的小火箭。因为光量子是由2个电子在E平面上结合而成的,所以它是偏振的,有EHc。图1表示电子偶在小黄道面上的物质旋涡运动呈疏密相间的条带分布(类似太阳系中的小行星环缝)。由于共振效应,双电子只能停留在各物质环缝上结合。这些环缝是光量子的能级En。处于不同分立能级状态下结合的双电子的中心距an不同,其电子的质量亏损也不同。an愈小的光量子有愈大的能级。光量子的能级表征了它特有的固有振动频率。是每个光量子的固有振动频率决定了光的颜色,并与光波波长有密切关系。 自旋电子的场的开放性使单个电子很难单独游离存在,所以,电子团一般都是由偶数个“左”和“右”自旋的单电子在E平面上结合形成的。而由奇数个单电子组成的总自旋角动量不为零的电子链条通常是不稳定的衰变粒子团。每一个电子团的固有振动频率为vc,其中每个电子的瞬时振动速度为光速±C并具有内能mec2。不同的光量子所需外场激发能量不同。在电场中的电子团受电场力被加速。外场所做的功除表现为电子团的动能增加外,由于阻力,所以还表现在对电子团压缩变形的质量亏损上。因此,在电场中运动的电子团,根据瞬时速度不同,被压缩的能级状态也不同。不同能级状态下的电子团有不同的固有振动频率vc,恰恰是这个固有振动频率vn记忆了能量压缩过程。取在放电管中电子团的固有振动频率最大值vmax,平均振动频率v=■,当时v=c,就有下面电动力学的基本方程: 式中,me为单电子的质量,h为普朗克常数。 当在放电管中充满某种气体分子,且在气体第一电离电位临界点上,气体电离原子的主振频率等于电子团的平均固有振动频率vn时,则发生电子团在共振中被破坏,分散成在一个平面上对称辐射的2个或3个光量子(单态或三重态),形成最强的线状光谱的辐射。 1.2 粒子的干涉和光波的内部结构 因为微观粒子质量很小,粒子之间开放键的作用相对很强,所以,任何两个电子团或光量子,在小夹角的碰撞中都表现为粒子最原始的干涉形式。我们把这种碰撞叫做“吸引碰撞”或“排斥碰撞”。例如,两个沿同方向,在E平面上以小夹角相遇的光量子,因为互相靠近的电子自旋方向相反则互相吸引,使在“吸引碰撞”后的两个光量子沿其速度矢量夹角平分线ψ方向运动。而两个向反方向运动的光量子在E平面上相遇时,由于互相靠近的电子自旋方向相同而发生“排斥碰撞”相互分离。其他各种偏振的、对称或是不对称的碰撞形式,读者可以自己研究。例如,偏振面互相垂直的两个光量子,相互碰撞就不能发生干涉现象。光量子在干涉或界面反射过程中往往发生系统的偏振化,成为圆偏振光或椭圆偏振光。 在空间中任何按一定平均自由程分布的“单色偏振态相同或相近微观粒子群”都能发生上述粒子的干涉现象。光波就是由光量子组成的、自己推进的粒子波。在光源的附近就已经发生干涉所形成的光线上,包含着许多长程无序分布的“线波包”。在每个“线波包”内是由光源在一次辐射,经过干涉而聚集的光量子。光量子在“线波包”内排列是有序的,前后两组光量子之间的距离为 mλ(m是正整数,λ是波长)。 如图2所示,由一次辐射所分开的两条相干光线上,当“线波包”之间的光程差小于它本身的长度时,在一定干涉孔径条件下,两条光线能够发生干涉。在图2中给定的初始条件下,从小孔光源S或S’毫无规律地向任意方向辐射的光量子,只能在与S7或S两个点的理论波阵面上,光程差L=mλ上各点相遇,相遇后的两组光量子在干涉后沿其速度矢量夹角平分线上的ψ方向运动,这个方向就是光线干涉后的传播方向。光波的干涉不是充满在整个空间的粒子毫无规则的弹性碰撞,而是以“线波包”中光量子相遇的“吸引碰撞”或“排斥碰撞”发生的光量子在光线方向上的集中,这表现为光波能量在干涉过程中的重新分布。 2 有限元法及其在“电动力学”中的应用 有限元法是随着电子计算机的发展而迅速发展起来的一种现代计算方法。它是20世纪50年代首先在连续体力学领域应用的一种有效的数值分析方法,随后很快广泛地应用于求解热传导、电磁场、流体力学等连续性问题。有限元法的基本思想是:在变分法或加权余量法基础上,采用分块逼近而形成的系统化的数值计算方法。有限元法的基本原理是:首先将求解区域进行离散化,其次剖分成若干互相连接而又不重叠的一定几何形状的子区域,这样的子区域称为单元(二维问题的子区域,一般取为三角形区域或矩形区域)。在单元体中选择基函数,用单元基函数的线性组合来逼近单元中的真解,而总体基函数可以由单元基函数组成。也就是说,有限元方法是根据变分原理和方程余量与权函数正交化原理建立起的积分表达式为出发点,将整个积分区域中的求解函数离散为若干单元区域中的连续函数,再通过单元积分,总体合成为代数方程形式的有限方程。对于二维情况,拉普拉斯方程及边界关系为: 与有限差分法等其他数值方法相比,有限元不仅计算精度高,而且能适应各种复杂形状,但局限性在于只适用于相对小的子域。20世纪60年代初首次提出结构力学计算有限元概念的克拉夫(Clough)形象地将其描绘为:“有限元法——Ray—leigh Ritz法+分片函数”,即有限元法是Rayleigh Ritz法的一种局部化情况。与求解满足整个定义域边界条件的允许函数的Rayleigh Ritz法(往往是很困难的)相比,有限元法将函数定义在简单几何形状(如二维问题中的三角形或任意四边形)的单元域上(分片函数),且不考虑整个定义域的复杂边界条件,这是有限元法优于其他近似方法的原因之一。由于有限元法的重要应用,现在已经开发出了许多关于有限元法的通用程序与软件。 与差分法比较,有限元素法的节点配置方式比较灵活,因此适用于处理形状比较复杂的区域。它的边界节点完全处在区域的边界上,从而在边界上可以给出较好的逼近。当边界比较复杂的时候,有限差分法是很难处理的,而且误差也较大,有限元素法还可以根据具体情况的需要,在一部分求解区域中配置较密的节点,而在另一部分求解区域中配置较稀疏的节点,以便在尽量不增加过多的节点总数下,提高计算精度,这些长处是有限差分法很难实现的。当然,差分法采用直交网格,列计算格式比较简便,而有限元素法由于节点配置比较任意,列计算格式就要复杂得多,不过这些计算格式都可以在电子计算机上自动运算。 电动力学论文:不同浓度的缓冲溶液对电动力学修复喹啉污染土壤的影响 (武昌理工学院生命科学学院,湖北武汉430223) 摘要:喹啉属于中等毒类物质,对环境和人体健康具有很大的危害。本实验模拟了喹啉污染土壤,利用电动力学的方法处理污染土壤,使喹啉迁移,最终达到降解喹啉的目的。结果表明,电动力学过程能有效地促进土壤中喹啉的迁移,电渗析和电迁移是其主要的作用机理;在恒定的电压下,缓冲溶液的添加对喹啉的降解性能影响很大;缓冲溶液的浓度越大,喹啉的降解速度越快。 关键词:喹啉;电迁移;电渗析;电动力学;修复 1.喹啉来源及危害 喹啉、异喹啉及其衍生物作为溶剂和原料在化工、医药等行业用途很广,喹啉是冶金、染料、聚合物以及农用化学品工业的重要中间体。另外在一些石化行业及木材加工业产生的废水中也含有大量喹啉,喹啉已成为土壤和水体中的常见污染物。它们对生物体有致癌、致畸、致突变性,被公认为是一种有毒难降解有机化合物。因此研究喹啉的降解过程,不仅可以找出去除它们的有效方法,而且可以为N-杂环类的其它有机物的降解和去除提供理论上的指导。 2.实验原理——电动力学土壤修复技术 电动力学修复是上世纪80–90年提出的一种绿色可行的原/异位修复技术,在土壤和地下水污染处理方向均有大量的研究报道[1-2]。在土壤修复方面,电动力学技术最受推崇之处是它对于水力渗透性差的粘性土壤污染具有较好的修复效果。 电动力学土壤治理技术的基本原理是在土壤/沉积物污染区域施加低压直流电场,使得污染物在电场的作用下向两极迁移得到富集和去除。污染物的迁移可以通过电迁移、电渗析和电泳来实现。电迁移是指土壤孔隙水中的阴阳离子或带电颗粒向电性相反的电极移动的过程,它主要是针对土壤中溶于水的离子态物质,因而对于重金属和解离态的有机分子迁移去除起到决定性作用。电渗析是在电场作用下,由于扩散双电层作用,土壤中的孔隙溶液在电场中从一极向另一极的定向移动。其中电迁移和电渗析是污染物主要的迁移去除途径。笔者应用电动力学技术对喹啉污染土壤的修复进行了实验,研究土壤中喹啉在电场力作用下的迁移特征及改变电压和加入表面活性剂、控制液后对其迁移的影响,为喹啉污染土壤的电动力学修复提供理论依据。 3.实验装置及方法 3.1 实验装置 图1:电动力学装置示意图 实验装置主要由直流电源、电流表、电解槽、电极室、电极、双头泵、纱网及滤纸、量筒、橡胶管等组成。 3.2 实验测试指标 1)电流:由直接与铜电极棒相连的电流表读取。 2)土壤pH值:取10g土壤试样,精确到0.0001g,置于锥形瓶中,加入50mL去离子水,超声10min,静止30min,用pH测试仪测定上清液的pH值。 3)土壤含水率:烘干称重法。 4)土壤中喹啉含量:各取样点取湿土壤1g,加去离子水10ml于聚乙烯管中,离心机离心分离10min,离心速度4000r/min。离心后静置10min,取上清液用分光光度法测定喹啉的含量。 3.3 实验方法 称取500g高岭土,加入1g/L的喹啉溶液250mL,再加入56mL蒸馏水,使土壤中的含水率为38%。将配好的土壤均匀后填入电解槽,避光,恒定压力下压实24 h。以高纯石墨板做电极,用导线将阳极和阴极分别与电源的正负极相连。电极室定量加入去离子水或硫酸钠或碳酸钠溶液作为电解液,两极室中的溶液由蠕动泵进行串联循环,每天定时更新电极室中的溶液,在恒定7V·cm-1电压下运行10d,每天9:00、15:30、21:00三个时间点分别测定电流强度、电渗流和溶液PH。实验结束后,将电解槽中的土壤平均分成7份,依次从阳极至阴极编为1-7号,测定各部分的含水率及土壤中污染物的含量,风干后测定土壤pH值及电导率,电解液中的喹啉含量以分光广度法进行测定。共进行3 组实验,实验主要研究不同的电解质溶液及不同浓度的电解质溶液对电动修复土壤中的喹啉污染物的影响,实验初始条件见表1。 3.4 缓冲溶液的配制 (1)硫酸钠溶液的配置:用Na2S04粉末配成浓度为0.1mol/L的硫酸钠溶液。 (2)碳酸钠溶液的配置:用碳酸钠粉末配成浓度为0.1mol/L的碳酸钠溶液。 3.5 喹啉标准使用液的配制 取0.92mL喹啉纯液,加去离子水稀释,配成浓度为0.1mol/L的喹啉标准使用液。 3.6 标准曲线的绘制 (1)配制:在6个10mL哈气瓶中,分别加入0.1、0.3、0.5、0.7、0.9、1.0mL喹啉标准使用液,各加去离子水至l0mL,摇匀,配成浓度分别为10、30、50、70、90、100mg/L的喹啉溶液。于312nm处测定吸光度标准曲线如图2所示。 4.结果与分析 4.1 喹啉的吸附及初始含量的确定 土壤吸附会使污染物水相浓度和迁移能力降低,为有效地反映电动力学过程对污染物的解吸附和迁移作用,喹啉初始含量宜低于其饱和吸附量。吸附实验结果如图3。图3表明,每克土壤吸附的喹啉量在0.14到0.64mg范围内吸附量呈上升的趋势,说明在0.5mg未达到饱和吸附量,故实验中选择以0.5mg/g浓度制备喹啉污染土壤是可行的。 图3:喹啉吸附等温线 4.2 土壤中电流的变化 实验过程中土壤的电流随时间的变化曲线如图4所示。在不同电解液种类及浓度变化下,电流在电解初期逐渐增大,但速率较慢,50h后电流显著增大。大约在实验运行200-250h处达到最大值,然后有降低的趋势。以硫酸钠溶液为电解液时,浓度大于以碳酸钠为电解液时的电流。当碳酸钠浓度为0.05 mol·L-1时差距尤为明显。 电解初期,电解液向土壤中的迁移及土壤矿物的溶解需要一段时间,通过土壤的电流较小;随着电解液在电渗析及电迁移的作用下,土壤孔隙溶液中的离子浓度逐渐升高,电流增大;随着电解时间的延长,一方面孔隙溶液中阴阳离子的电迁移量减少,另外,电解反应产物或其它的化学物质也可能与迁移的离子发生反应(例如向阴极迁移的H+与向阳极迁移的OH-中和形成水而稀释了土壤溶液中的离子浓度),从而使通过土壤的电流逐渐减小[3]。两极电解反应使土壤pH值发生变化,可能使土壤中的矿物发生溶解或沉淀,导致土壤中可迁移的离子浓度发生变化,土壤中电流也随之轻微波动。 图4:电流变化示意图 4.3 土壤中电渗析流的变化 实验过程中,阴阳极累积电渗流的变化如图5、图6。从图中可以看出,阳极的电渗流呈减小的趋势,阴极的电渗流呈增大的趋势。且三组实验由电渗流对时间的变化曲线的上升或下降的速率基本一致。 三组实验中得到的累积阴极电渗析流量EOF有明显差异。T-1累积EOF最高,运行216h后达到240mL;T-2、L-1次之,累积EOF分别为190mL和145mL,各组累积EOF的大小关系与电流高低有基本一致的关系;同时图6.2中的曲线斜率显示的EOF随电流增大或趋于平稳而相应地增大和平稳,也揭示了这种一致性。 电动力学论文:浅论建构主义理论的电动力学教学探讨 论文摘要:本文阐述了建枸主义学习、教学理论的基本特征,并尝试在电动力学教学中运用建构主义的观点。通过两个实例说明如何在教学中注重以学生已有的知识经验为基础而进行积极的“意义建构过程”。 论文关键词:建构主义学习理论;建构主义学习理论;电动力学 1.引言 《电动力学》课程是物理本科专业的一门重要专业课,也是理论物理的第一门基础课。它是在学生学习了高等数学、数学物理方法和电磁学等基础课程之后开设的。分析整个电动力学教材的内容体系,我们不难看出,矢量分析和数学物理方法好比电动力学的双腿,电磁学的实验、定义、公式、方法和应用则是它的躯干,而物理概念、物理思想、物理图像和物理思维方式是它的灵魂。 由此可见,学生的数学基础特别是对矢量、张量分析的掌握是学好整个课程的关键,没有这个基础,学生就无法领会电动力学的定义、公式和方法。电动力学本身是一门较难也比较枯燥的理论课程,如果此时教师不注意对学生进行学习方法和学习自主性的引导,就很容易滋生厌学清晰,从而影响教学质量。本文利用建构主义理论针对电动力学中如何处理一些知识的教学做了一些探讨,希望达到抛砖引玉的目的。 2.建构主义理论 建构主义是当代教育心理学的一场革命,代表人物是著名心理学家皮亚杰(.Piaget)。建构主义理论的优秀内容可以用一句话来概括:以学生为中心,强调学生对知识的主动探索、主动发现对知识意义的主动建构]。建构主义理论内容丰富、流派纷呈,本文只对建构主义理论中对学习及教学的认识加以浅析。 2.1建构主义理论对学习的认识 建构主义理论认为学习是学生在原有经验基础上主动进行意义建构的过程,这种过程要在实践中或者在学生与环境的相互作用中通过新旧知识间的反复相互作用而建构而成。在此过程中学生依靠同化和顺应来组建自己的知识结构。同化是指把外来的信息纳入已有的知识结构中,以丰富和加强原有的思维取向和行为模式;顺应是通过学生原有的知识结构与新的信息产生冲突,调整原有认识结构,从而建立新的认知结构。通过不断地同化——顺应——同化——顺应……循环往复,相互交替,将新知识转化、组织和重新组织,并纳入到自己的知识体系中。这就是学习的过程。 2.2建构主义理论对教学的认识 建构主义认为教学是学生在教师设置的情景中通过交流和协作对知识进行主动加工的过程。它不是知识的传递,而是对知识的处理和转换。学生对知识的处理和转换,只能由学生自己来建构完成,所以在教学中不能把教师对知识的理解传递给学生,而要从学生原有的知识经验出发,引导学生从原有的知识经验中“生长”出新的知识经验。即教学的关键其实是向学生展示这些结论是如何得到的,而不是去熟记这些结论。 3.建构主义理论对指导电动力学教学的启示 3.1学生基础现状分析 学生经过对经典物理学力学、热学、光学和电磁学的学习,已经有了一定的物理基础知识和分析、解决物理问题的能力,并且已经形成自己的学习.方法和习惯。但目前的基本现状是:数学基础知识特别是矢量计算基础较差、先行课程电磁学的知识有很多已经生疏或遗忘、学生习惯接受教师“咀嚼”好的知识和方法,不愿意也不会自己去思考和总结,在学习的主动性和积极性方面还存在很多不足。 上述问题在班上是普遍存在的,它为电动力学的正常教学提出了了刻不容缓的难题,如果不运用适当的手段搞清楚学生的知识状况,并能及时调整知识的讲授方式以便能适当与先行课程做好衔接,就势必给学生学习电动力学造成很大的困难,对教师的教学也是一个很大的障碍。 3.2建构主义对教学的指导——两个案例的分析 (1)“位移电流”的教学 ‘位移电流假说是麦克斯韦为了将稳恒情况下电磁场所满足的麦克斯韦方程 (积分形式为推广到普遍情况(包括稳恒和非稳恒)而引入的一个定义。这是一个很重要的新概念,也是一个比较抽象的概念。学生的思维里可能比较熟悉的是传导电流的性质。 稳恒情况下,磁场的安培环路定理的积分 那么在非稳恒情况下,磁场的环流这个地方,书上的阐述是由麦克斯韦方程与电荷守恒定律之间的矛盾来引入这个概念的口。这是用理论来讲授理论,当然推理严密,讲解简单。但在教学中,我觉得可以从大家熟悉的含有平行板电容器的充、放电电路(图1)来讲述,学生会更领会“位移电流”的本质。 现考虑以L为边界作曲面S1和S2,其中曲面S1通过导线的横截面,有自由电子穿过S1;而曲面S2通过电容器的两极板之间,没有自由电子穿过S2. 这说明,尽管两个曲面的边界L是相同的,但穿过曲面的传导电流并不一样,也就是说这个方程不能推广到非稳恒电流的情况。 为了解决这个矛盾,麦克斯韦提出了“位移电流”的假设,将方程稍做修改为就代表“位移电流”的贡献。下面再来计算的表示式。利用 ×)所以直接比较得出:由此式我们就很容易看出:位移电流的本质是变化的电场,它和传导电流一样都能激发磁场。引入位移电流以后,上述电路的全电流可表示为:这个全电流在整个电路中是连续的。对上式取散度(并用到 这样一来,平板电容器充、放电电路中出现的矛盾就得到解决:在电容器两极之间随时间变化的电场形成了位移电流它把电容器极板中间断的电流.厂连接起来,使全电流.Jr具有闭合的性质。 (2)“谐振腔”的教学 第四章四、五节讨论的是有界空间的电磁波的传播问题,以矩形波导和谐振腔为例,研究了高频电磁波的传播的驻留行为。从知识的角度来看,本章属于运用理论解决实际问题的类型,在前面,先给学生回顾和讲解分离变量法求解亥姆霍兹方程中的定解问题,同时让学生学会分析理想导体的边界条件。有了这两个基础以后,后面介绍的具体例子——谐振腔和波导问题的求解就应该不是重点,学生只需要针对具体情况分析好边界条件就没有困难。 我们知道谐振腔是储存某一特定频率的电磁能量的器件,常用于选择并发射某一频率的电磁波。我觉得作为一种光学的应用器件,讲授它的功能、用途以及为何具备这样的功用是很有必要的。在教学中可以从复习学生比较熟悉的LC振荡回路的知识来过渡到对谐振腔的讲解。我们知道,低频电磁波是利用 如图(2)所示的LC振荡回路激发的,首先用外电源给电容器充电至U,合上开关k以后,储存在电容器内的电场能与电感中的磁场能在不停地相互转换,形成电磁振荡。LC回路振荡频率为 由此式知,为了得到高频的电磁波,就要减小谐振回路的L和C。为了减小C,就要增加电容器极板间的距离d,见图3(a);为了减小L,就要减小电感线线圈的匝数,直到使用一根直导线代替,见图3(b);甚至用很多根直导线并联,见图3(c);更进一步推痔极限情况下,用无数根直导线并联的结果就使LC回路过渡为一个封闭的金属矩形谐振腔,见图3(d)。 由这样的方法引入谐振腔的概念,学生很容易理解和掌握,并且对谐振腔的用途有一定的了解。下面再根据谐振腔的模型给出定解问题,进而求出其中的电磁场结构。 电动力学论文:浅论建构主义理论的电动力学教学探讨 论文摘要:本文阐述了建枸主义学习、教学理论的基本特征,并尝试在电动力学教学中运用建构主义的观点。通过两个实例说明如何在教学中注重以学生已有的知识经验为基础而进行积极的“意义建构过程”。 论文关键词:建构主义学习理论;建构主义学习理论;电动力学 1.引言 《电动力学》课程是物理本科专业的一门重要专业课,也是理论物理的第一门基础课。它是在学生学习了高等数学、数学物理方法和电磁学等基础课程之后开设的。分析整个电动力学教材的内容体系,我们不难看出,矢量分析和数学物理方法好比电动力学的双腿,电磁学的实验、定义、公式、方法和应用则是它的躯干,而物理概念、物理思想、物理图像和物理思维方式是它的灵魂。 由此可见,学生的数学基础特别是对矢量、张量分析的掌握是学好整个课程的关键,没有这个基础,学生就无法领会电动力学的定义、公式和方法。电动力学本身是一门较难也比较枯燥的理论课程,如果此时教师不注意对学生进行学习方法和学习自主性的引导,就很容易滋生厌学清晰,从而影响教学质量。本文利用建构主义理论针对电动力学中如何处理一些知识的教学做了一些探讨,希望达到抛砖引玉的目的。 2.建构主义理论 建构主义是当代教育心理学的一场革命,代表人物是著名心理学家皮亚杰(.Piaget)。建构主义理论的优秀内容可以用一句话来概括:以学生为中心,强调学生对知识的主动探索、主动发现对知识意义的主动建构]。建构主义理论内容丰富、流派纷呈,本文只对建构主义理论中对学习及教学的认识加以浅析。 2.1建构主义理论对学习的认识 建构主义理论认为学习是学生在原有经验基础上主动进行意义建构的过程,这种过程要在实践中或者在学生与环境的相互作用中通过新旧知识间的反复相互作用而建构而成。在此过程中学生依靠同化和顺应来组建自己的知识结构。同化是指把外来的信息纳入已有的知识结构中,以丰富和加强原有的思维取向和行为模式;顺应是通过学生原有的知识结构与新的信息产生冲突,调整原有认识结构,从而建立新的认知结构。通过不断地同化——顺应——同化——顺应……循环往复,相互交替,将新知识转化、组织和重新组织,并纳入到自己的知识体系中。这就是学习的过程。 2.2建构主义理论对教学的认识 建构主义认为教学是学生在教师设置的情景中通过交流和协作对知识进行主动加工的过程。它不是知识的传递,而是对知识的处理和转换。学生对知识的处理和转换,只能由学生自己来建构完成,所以在教学中不能把教师对知识的理解传递给学生,而要从学生原有的知识经验出发,引导学生从原有的知识经验中“生长”出新的知识经验。即教学的关键其实是向学生展示这些结论是如何得到的,而不是去熟记这些结论。 3.建构主义理论对指导电动力学教学的启示 3.1学生基础现状分析 学生经过对经典物理学力学、热学、光学和电磁学的学习,已经有了一定的物理基础知识和分析、解决物理问题的能力,并且已经形成自己的学习.方法和习惯。但目前的基本现状是:数学基础知识特别是矢量计算基础较差、先行课程电磁学的知识有很多已经生疏或遗忘、学生习惯接受教师“咀嚼”好的知识和方法,不愿意也不会自己去思考和总结,在学习的主动性和积极性方面还存在很多不足。 上述问题在班上是普遍存在的,它为电动力学的正常教学提出了了刻不容缓的难题,如果不运用适当的手段搞清楚学生的知识状况,并能及时调整知识的讲授方式以便能适当与先行课程做好衔接,就势必给学生学习电动力学造成很大的困难,对教师的教学也是一个很大的障碍。 3.2建构主义对教学的指导——两个案例的分析 (1)“位移电流”的教学 ‘位移电流假说是麦克斯韦为了将稳恒情况下电磁场所满足的麦克斯韦方程 (积分形式为推广到普遍情况(包括稳恒和非稳恒)而引入的一个定义。这是一个很重要的新概念,也是一个比较抽象的概念。学生的思维里可能比较熟悉的是传导电流的性质。 稳恒情况下,磁场的安培环路定理的积分 那么在非稳恒情况下,磁场的环流这个地方,书上的阐述是由麦克斯韦方程与电荷守恒定律之间的矛盾来引入这个概念的口。这是用理论来讲授理论,当然推理严密,讲解简单。但在教学中,我觉得可以从大家熟悉的含有平行板电容器的充、放电电路(图1)来讲述,学生会更领会“位移电流”的本质。 现考虑以L为边界作曲面S1和S2,其中曲面S1通过导线的横截面,有自由电子穿过S1;而曲面S2通过电容器的两极板之间,没有自由电子穿过S2. 这说明,尽管两个曲面的边界L是相同的,但穿过曲面的传导电流并不一样,也就是说这个方程不能推广到非稳恒电流的情况。 为了解决这个矛盾,麦克斯韦提出了“位移电流”的假设,将方程稍做修改为就代表“位移电流”的贡献。下面再来计算的表示式。利用 ×)所以直接比较得出:由此式我们就很容易看出:位移电流的本质是变化的电场,它和传导电流一样都能激发磁场。引入位移电流以后,上述电路的全电流可表示为:这个全电流在整个电路中是连续的。对上式取散度(并用到 这样一来,平板电容器充、放电电路中出现的矛盾就得到解决:在电容器两极之间随时间变化的电场形成了位移电流它把电容器极板中间断的电流.厂连接起来,使全电流.Jr具有闭合的性质。 (2)“谐振腔”的教学 第四章四、五节讨论的是有界空间的电磁波的传播问题,以矩形波导和谐振腔为例,研究了高频电磁波的传播的驻留行为。从知识的角度来看,本章属于运用理论解决实际问题的类型,在前面,先给学生回顾和讲解分离变量法求解亥姆霍兹方程中的定解问题,同时让学生学会分析理想导体的边界条件。有了这两个基础以后,后面介绍的具体例子——谐振腔和波导问题的求解就应该不是重点,学生只需要针对具体情况分析好边界条件就没有困难。 我们知道谐振腔是储存某一特定频率的电磁能量的器件,常用于选择并发射某一频率的电磁波。我觉得作为一种光学的应用器件,讲授它的功能、用途以及为何具备这样的功用是很有必要的。在教学中可以从复习学生比较熟悉的LC振荡回路的知识来过渡到对谐振腔的讲解。我们知道,低频电磁波是利用 如图(2)所示的LC振荡回路激发的,首先用外电源给电容器充电至U,合上开关k以后,储存在电容器内的电场能与电感中的磁场能在不停地相互转换,形成电磁振荡。LC回路振荡频率为 由此式知,为了得到高频的电磁波,就要减小谐振回路的L和C。为了减小C,就要增加电容器极板间的距离d,见图3(a);为了减小L,就要减小电感线线圈的匝数,直到使用一根直导线代替,见图3(b);甚至用很多根直导线并联,见图3(c);更进一步推痔极限情况下,用无数根直导线并联的结果就使LC回路过渡为一个封闭的金属矩形谐振腔,见图3(d)。 由这样的方法引入谐振腔的概念,学生很容易理解和掌握,并且对谐振腔的用途有一定的了解。下面再根据谐振腔的模型给出定解问题,进而求出其中的电磁场结构。 电动力学论文:物理学专业电动力学课程教学论述 一、课程教学基本理念 第一,在教学中要尊重学生学习的主体性、教师教学的主导性,全面发挥学生的自觉性、主动性、创造性。第二,“电动力学”课程属于专业基础课程,教学内容安排上除了让学生学习本门课程的基本知识、基本理论、基本思路,与其他物理学分支也具有共性和个性的关系。针对这一特点,老师在教学中要注意引导学生相似性形象思维。第三,教学应突出探究式教学方法,改变传统的教学模式,把信息技术与电动力学课程最大限度地整合,运用多种现代教育手段优化教学过程,推行启发式、探究式、讨论式、小制作等授课方式,培养学生的创新思维和创新理念。 二、在本课程教学中应当做到以下几点 1.讲授内容应理论联系实际 “电动力学”作为一门专业学科课程,是师范院校物理专业的基础理论课。教学中要求学生掌握课程的基本知识、基本理论和基本原理,使学生加深对所授知识的理解,更可深刻认识电动力学的实际应用价值,达到学以致用的目的,同时提升学生分析问题、解决问题的能力。 2.注重学生学习的主体性和个体性培养 从课程的设计到评价各个环节,在注意发挥教师在教学中主导作用的同134教改课改2016年3月时,应特别注意体现学生的学习主体地位,以充分发挥学生的积极性和挖掘学习潜能。要求学生能初步分析生产、生活中的电动力学问题,以提升学生的分析问题和解决问题的能力。在电动力学理论的学习中运用数学工具处理问题,使学生认识数学和物理的密切关系,培养学生运用数学工具解决物理问题的能力。培养学生自学能力,重要的不是教内容,而是教给学生学习方法。要充分注意学生的兴趣、特长和基础等方面的个体差异,因材施教,根据这种差异性来确定学习目标和评价方法,并提出相应的教学建议。课程标准在课程设计、教学方案、计划制订、内容选取和教学评价等环节上,为教学、学习提供了选择余地和发展的空间。 3.运用多种现代教育手段优化教学环节 充分利用现代化教学手段,发挥信息化教学的优势,增强学生的学习兴趣,进一步强化需要掌握的知识点,拓宽知识面,增强学生的实践操作技能,培养科学的思维方式,这样学生能更好地掌握“电动力学”课程知识所涉及的相关科学方法,有效提升其发现问题、分析问题、解决问题的能力。 4.具备良好的实验条件,充分保证实验和实践训练质量 鼓励学生开展科研实践训练,参加各类科技竞赛。实验课及实践训练要注意培养学生的逻辑思维、创造性思维,充分利用好物理、电子竞赛等创新平台,促进电动力学课程的教学。 三、课程学习策略探究 第一,针对“电动力学”是理论基础课的特点,学生必须坚持课前预习,预习过程中有意识地提出问题。课堂教学主要采用探究式课堂教学法,即每节课突出一个主题,讲清论透相关原理知识,每个主题通过师生多种形式的互动,教师及时了解、解决学生的疑难问题,以增强学生的学习兴趣。第二,将传统板书、电子课件、网络和视频多种教学手段相结合。如课内讲授与课外讨论和制作相结合、基础理论教学与学科前沿讲座结合、基本理论与科研实践训练相结合。第三,鼓励学生参加科研实践训练和各类科技竞赛。培养多样化应用型人才,以培养应用型、复合型、技能型人才,增强毕业生就业能力,完成本课的预期目标。第四,电动力学也是一门实践性很强的课程,其研究对象是区别于实物的物质形态,具有抽象的特征。为避免课程教学的数学化,我们将充分应用当代信息技术的优势,比如说以视频教学资料增强学生的感性认识和动手能力。再次,实验课及实践训练要注意培养学生的逻辑思维、创造性思维能力和素质,充分发挥学生的物理思维和物理探究能力。 四、课程教学方法探究 本课程教学中应注意电动力学理论与实践的结合,尊重学生学习的主体性,适当安排指导性自习,培养学生的自学能力。加强对学生课前、课后的答疑辅导,注重学生能力的培养,使学生通过对电动力学中基本理论的理解,认识和掌握电动力学原理的研究规律,开拓思路,初步培养学生的科研思维。 1.“双边反馈式”教学法 这种教学法由“自学”和“反馈”两部分构成,其着眼点是学生在教师指导下的自学和教师由反馈来的信息而进行的有重点的讲解,使学生的能力在反复训练中得到锻炼。“自学”和“反馈”体现了学生和教师的相互联系、相互配合、相互作用的训练过程。 2.以问题为中心,开展课堂讨论 式教学法建议课堂教学中遵循科学性、主体性、发展性原则,采用以学生为主体的小组讨论式的方法,从提出问题入手,激发学生学习的兴趣,让学生有针对性地去探索并运用理论知识解决实际问题;也可以针对教研室科研工作中遇到的问题设计讨论或思考题,以启发学生分析、讨论有关电动力学问题,学习并巩固电动力学知识,开拓思路,培养科研思维。 3.提倡学导式的教学方式 在教师指导下,学生进行自学、自练,教师把学生在教学过程中的认知活动视为教学活动的主体,让学生主动地去获取知识,发展各自能力,从而达到在充分发挥学生主动性的基础上,渗入教师的正确引导,使教学双方各尽其能,各得其所。 4.多开展课外实践活动 课外实践训练中,要注意培养学生的逻辑思维、创造性思维能力和素质。鼓励和指导有能力的学生进入科研实践训练,参加各类科技竞赛。将学生撰写的课程小论文融入教学全过程,从中选出有质量的项目进入科研实践训练。充分利用好物理、电子竞赛等创新平台,促进电动力学课程的教学,培养应用型、复合型、技能型人才,增强毕业生就业能力。“电动力学”作为一门探究性课程,在课堂教学中,要突出学生的参与性,使他们主动获取而不是被动接受科学结论,互动思维使学生感觉电动力学发人深思,不难入门。“电动力学”与其他物理学分支具有“共性”和“个性”的关系。为了激发学生学习兴趣,可以经常采用课堂讨论形式,由学生提问,在教师引导下大家讨论,总结得出正确结论。由于分析“电动力学”需要运用抽象思维,所以课堂教学应充分使用多媒体,尽量使用图像和色彩搭配,使学生建立正确的物理图像。注意“信息技术”与“电动力学”课程的有效整合,这对于整体优化教学过程,提高学生的专业知识学习效果、提高学生的信息技术能力、培养学生的合作意识和创新精神均具有重大的现实意义。同时,可将教学理论应用到创新实践能力训练中,应用到物理、电子等各类竞赛中。 作者:邓洪亮 曾爱华 袁琳 单位:邵阳学院 电动力学论文:光信息科学与电动力学课程教育研讨 作者:卢俊 陈桂波 李金华 孔梅 金光勇 单位:长春理工大学理学院物理系 一、光信息科学与技术国家一类特色专业 我校光信息科学与技术专业历史悠久、办学基础好、生源质量高、专业方向应用性强。为适应国家对激光科学与技术及光信息技术高素质人才的需求,发挥我校光信息科学与技术专业应用性强的优势,围绕“特色教育,服务社会”的宗旨,2009年申报成功了光信息科学与技术国家第一类特色专业,目标是建设一个以激光科学与技术和光信息技术两个专业方向为优势方向,特色鲜明的名牌专业,使之在培养质量方面达到或接近国内一流水平。在专业边缘领域,大胆开拓,不断扩展研究内容,使该专业成为国内激光科学与技术和光信息技术方向高级人才的培养基地,满足社会发展需要,为同类型高校相关专业建设和改革起到示范和带动作用。电动力学作为该专业重要的一门专业基础课程,需进行教学内容和教学方式的改革,以适应特色专业的建设和培养高质量毕业生要求。 二、电动力学课程教学现状及课程特点 电动力学课程内容,对大多数学生来说感觉到比较难学。原因是知识点较多,抽象难懂。数学推导复杂,要求有较强的数理基础。虽然有些电动力学问题接近实际,比如波导问题、天线问题,但学生要理解和解决这些问题,需要一定的过程,由于上述问题的存在,使初学者常常感到电动力学课枯燥无味、难以入门;上课听讲似懂非懂,下课做题无从下手。并且,由于招生数量的增加,极大降低了师生比,降低了学生与老师交流的几率。同时,现代大学生与80年代大学生比,缺乏主动思考意识和能力,都严重影响电动力学课程的教学效果。 三、教学改革设想及实施 我校光信息科学技术专业本科生的培养中,激光器及技术是一个重要的专业方向。因此在电动力学课程教学中,如何将与专业基础相关教学内容更扎实、有效地贯穿教学,并激发学习兴趣,采取以下教学改革设想及措施:3.1教学内容改革根据专业特点,对教学内容进行调整,并适当引申,为学生后续的平台课如物理光学、激光原理,以及专业课如激光器件、导波光学等奠定良好基础。比如,对电磁波传播的相关内容重点讲解并结合教师的科研等背景进行引申及拓展。其中关于模式及其形成条件,结合导波光学及物理光学内容,概念交待清楚,条件讲解透彻,为后续课程的学习奠定良好基础。在亥姆霍兹方程的讲解中,引入前沿热点问题如“负折射率”问题,使学生了解其理论基础。在教材中作为选学内容的高斯光束问题,对该专业的学生交待清晰,为后续的激光原理奠定基础。凡此不再赘述,总之,对教学内容的制定,以为学生更好学习后续课程及激发学习兴趣为原则。3.2教学方式改革在电动力学课程的教学中,改变以往单纯板书、课件的教学模式。尝试使用讨论式教学、课程小论文及结合教师科研讲座与板书、课件相结合的教学方式。传统板书教学方法对公式的推导及其有利,也符合学习的学习习惯。但在涉及较抽象问题时,使用课件教学更直观、形象,有利于学生对具体问题的理解。如涉及形成模式的条件———驻波问题,以及偶极子天线的辐射问题,利用课件的动画演示,极大提高了教学效果。在课程的讲解中,穿插讨论式教学,实现教师和学生的互动,调动学生学习的主动性。教师结合课程中不同章节的内容及特点,设置具体问题在课堂上展开讨论是一种形式。对于课程小论文及教师科研讲座,安排在电磁波的传播内容讲解之后,有利于培养学生的兴趣和创造性。我们的教师梯队均为博士毕业,涉及光学、物理电子学、光学工程、凝聚态物理、计算电磁学五个学科,且承担包括国家自然基金、“863”、“973”及工程类项目,为结合不同的学科开展前沿问题讲座,并将研究成果引入课堂,激发学生学习兴趣提供了良好条件。为此,在课程教学中穿插了与课程相关的前沿问题讲座。比如全固态激光器的研究进展、光子晶体及ZnO纳米材料研究进展等,通过前沿问题讲座的尝试,学生积极性很高,取得了预期效果。关于课程小论文,我们安排在了讲座之后,教师根据专业特点和学生基础,给出题目和时间节点,其间学生与教师有交流,教师进行指导,使学生更好地完成小论文,只是这个环节需要的时间较长,需要教师后续跟踪并总结。通过科研讲座及小论的尝试,以初步取得成效,所教授的学生据此参加了全国大学生创新大赛并获奖,所研究结果也在相关刊物发表文章。这种教学模式的探索,极大提高了学生学习的能动性,有利于培养学生的学习兴趣及提高培养质量。 四、总结 结合国家特色专业建设,对电动力学课程教学内容和教学方式进行了有益探索,并取得较好的效果。通过进一步的研究和实践,努力形成一种稳定的教学模式。 电动力学论文:舰船计算电动力学研究 摘要: 本文综述了应用于舰船和潜艇电磁防护以及隐身舰船研究的计算电动力学的性能、解法和软件包。 关键词: 舰艇;电磁防护;计算电动力学 0引言 计算电动力学于20世纪70年代作为一门单独的学科成立。1976年在牛津召开的第一届国际电磁场数值计算会议可以认为是计算电动力学的起点。这些方法可划分为三类:有限元法,边界和体积积分方程法以及混合方法[1]。当利用有限元法对三维目标进行计算时,三维目标的整个计算域会被划分为体积单元(六面体或四面体)。当用于内场问题以及非均匀、各项异性和非线性媒介场域问题求解时,有限元法有着显著的优势。当计算远离场源的电磁场时,有限元法的缺点就会明显的暴露出来。有限元法中未知变量为电动力学势能或者近似为离散空间的电磁场矢量E和H。在积分方程法中需要考虑和电动力学势能及矢量(如格林方程中的积分关系)有关场的表面密度或者是等效体积源。积分方程法在解决无边界区域问题(包括均匀介质)上有很大优势。混合方法集合了有限元法和积分方程法的优缺点,因此在此提及。最初,计算电动力学方法的相关术语发展广泛,但直到20世纪90年代中期挑选出数值算法后才使得计算电动力学方法在工业应用方面变得切实可行。对于以标量电势描述的静态问题进行计算的可用软件包大都采用有限元法。当计算由于涡流引起的低频场时,最有效的方法是采用棱单元的有限元法。当计算辐射或衍射物体产生的高频电磁场时,一般更倾向采用矩量法,矩量法是积分方程法的一个特例,其采用表面电流和磁流的密度作为状态变量[2]。当计算舰船目标的电磁防护问题时,我们最感兴趣的是探测、识别以及武器自导系统所反应的远场区电磁场,所使用的计算软件主要采用了积分方程法。使用积分方程法的时候,必须将目标物体的表面划分成不同的独立单元(边界元)。构造表面以及在表面形成边界元网格是有挑战性的,因为水面舰艇和潜艇具有非常复杂的几何结构和布局。当要考虑内部结构的时候,挑战性就会更大。大多数商业化电磁场计算软件都有从计算机辅助设计系统(CAD)导入几何文件的工具。但是运用CAD进行船或是潜艇设计时,却不经常使用。首先,当导入几何结构的时候,必须要找出那些对舰船的总磁场贡献不明显的结构;其次,在导入几何结构时会容易丢失结构的拓扑链接,这些链接对创建在节点、边缘和表面处的有限元或边界元规则网络是非常必须的。很多计算方法都强制要求规则网格,在这种情况下,更倾向使用单独开发的几何模块(预处理器)来构建几何模型和生成该表面网络。一些软件(如ShipEDF)试图通过舰船通用数据库建立几何结构以及计算模型之间的关联。但不论哪种情况,不同频段下的计算方法有很大差别。下面将分别对这些计算方法进行描述。 1静态电场 舰船静态电场的主要来源为螺旋桨-船之间的电偶以及电化学腐蚀防护系统的阳极。一般来说,静态电场控制的任务以下面方式进行:安排好阳极在船体的位置,并选择阳极电流使环绕舰船环境中的电场以及与腐蚀有关的磁场达到最小,同时还需满足舰船的腐蚀保护要求。“BEASY”软件就是严格按照上述任务编写的[3]。考虑到非线性优化的复杂性以及实际阳极布置的技术局限性,在软件包“STAR3DElectric”中使用另一个未知变量-金属表面电流矢量。使用这个未知量使得在整个电路中考虑有限电阻(如电刷)成为可能。除此之外,软件包“STAR3DElectric”中使用的守恒方程在迭代过程中求解系统方程效率更高。 2静态磁场 目前已知最好的且应用最广泛的计算静态磁场的软件为“矢量场”公司开发的有限元软件包“Opera-3D”[4]。复杂区域内的四面体网格生成质量在“Opera-3D”的最新版本中已经大幅提升。在此之前的版本,为生成高质量网格,就必须对目标的几何结构的某些部件进行挤压。这是一项很精细的工作,需要数周或数月才能完成。在最新版本中,往往只需要构建目标的表面及一些额外的面就可自动生成网格。当利用有限元来计算舰船或潜艇的静态磁场时,面临的主要问题是大部分的铁磁结构厚度都很小(相对于其他尺寸)。这就使得在网格生成过程中产生的一些不好的网格会导致计算精度变差。极限情况下,当结构的厚度趋近于零时,有限元法就变得不稳定了。在软件包“STAR3DMagnetic”中,薄壁结构被表面磁化分布未知的中间面所替代,使得软件对于求解任意厚度的船体都具有稳定性。计算装备了消磁线圈的舰船静态磁场边界元的典型大小为0.5~1m。在此种情况下,使用积分方程法时就必须求解包含大约100000个未知量的密度矩阵方程。“STAR3DMagnetic”采用快速多极算法,是该问题能在一般台式电脑上解决。 3极低频电磁场 舰船极低频电磁场特性是海军武器及探测系统的重要信息源。其主要特点是存在大量的不同物理源产生不同频率的场。这些源所产生的场取决于舰船内部的布置、舰船壳体的屏蔽、甲板和舱壁、环境参数以及舰船运动。由于场源的多样性以及场的尺度不一,计算极低频电磁场时,舰船的电磁场模型并没有作为一个整体,而是对每个场源所产生的电磁场单独考虑。为了仿真0.01Hz~10kHz频段的极低频电磁场,EMSS软件包利用三层介质中恒定和交变电偶极子和磁偶极子的总和来代表舰船的总源场。偶极子数量取决于离观测点的距离,频段以及环境参数。对于中型大小的舰船,数目大约为数十万。偶极子的参数取决于实验数据或通过模型计算得到。以下是EMSS仿真程序里面所考虑的极低频电磁场的源: 1)结构磁化; 2)由于冲刷导致的船壳结构电流的不均匀性; 3)电气设备产生的电流; 4)杂散电流; 5)消磁线圈中的电流纹波; 6)由于船桨的旋转以及腐蚀保护系统产生的电流调制; 7)磁性轴的旋转; 8)船桨的叶片切割地磁场产生的感应电流; 9)舰船在地磁场中运动; 10)铁磁体结构振动。为了进行极低频电磁场分析,仿真得到的时域信号需要加入人工生成或是全尺度测量的干扰。EMSS允许显示在舰船建造以及调试试验时产生的极低频电磁场场源,并且在需要的时候可以评估附加的电磁防护措施的有效性。场源的探测基于目标采样结果和全尺度测量结果之间复杂对比得到。 4无线电波段的电磁场 当需要确定顶层甲板的电磁场辐射水平以确保舰员安全、评估同时运行的天线间的互耦,检验天线安装时的输入阻抗及方向图时,就必须计算船载中频、高频和甚高频天线的电磁场。市场上有大量的商业软件来解决上述问题。例如“Concerto”、“ShipEDF”、“FEKO”以及“CARLOS-3D”等。这些软件大都采用矩量法。“STAR3DHighFrequency”软件包使用和“STAR3DElectric”、“STAR3DMagnetic”类似的几何预处理器。三个软件都可以使用同样的铁壳舰船的几何模型:当计算静态电场和腐蚀磁场时,只利用了模型的水下部分;当计算高频电磁场时只利用了模型的水上部分;当计算静态磁场的时候需要用到整个模型。为了有效求解由矩量法产生的大型系统方程,“STAR3DHighFrequency”软件包采用了高频改进的快速多极子算法[5]。和“STAR3DElectric”、“STAR3DMagnetic”采用的快速多极算法一样,高频改进的快速多极子算法所需的计算资源和NlogN成正比,其中N是边界元的个数。这相对需要O(N3)运算次数的高斯消除法或是LU分解法来说有很大改进。 5雷达、红外和激光波段的电磁场 令人遗憾的是,目前为止这些波段内不能采用矩量法进行严格计算。矩量法的边界元大小约为λ/10,当利用波长为3cm的电磁波来计算露出水面面积为10000m2的舰船瞬时雷达散射截面(RCS)时,容易估算出求解系统方程中未知量个数为10亿。为确定RCS的平均值,需要在特定的距离和观测角度对目标进行多次计算。目前,矩量法中未知量个数的世界纪录是3300万,这个数目是计算理想导电球面上平面波散射问题时,在一个多处理器的计算机群上达到的。替代矩量法的计算方法有:物理光学法、物理绕射理论、几何绕射理论、绕射统一理论等[6]。通常的商业计算软件会综合采用这些方法。近似方法最主要的缺点是缺乏通用性。软件用户必须有大量的工程经验,以便根据不同的情况挑选正确且合适的模型,并能对计算误差进行评估。与矩量法不同的是,所有的近似方法都将目标的总辐射量认为是局部场源辐射量的一个叠加。在这种假设下,就没必要严格考虑几何结构的拓扑以及在表面构建规则网格,这对于使用CAD生成的几何模型有很大优势。电磁场计算方法和CAD的联合应用产生了一个新的概念—电磁场设计,这在雷达、红外和激光波段的隐形目标的发展中具有广泛的应用。知名的电磁场设计计算软件为“ShipEDF”,其主要目标是最大限度的降低舰船的雷达和红外信号水平。软件的主要模块为利用标准的AutoCAD软件生成舰船的三维模型。该模型会生成舰船每个航向角的观测区域表面元,并以电子表格的形式输出,作为计算模型的输入数据。第一个计算模块计算了舰船雷达信号在每个观测的方位角上的积分和差分特性;第二个模块计算了舰船的红外图像;第三个模块估计了激光波段范围内的舰船平均RCS。 6总结 本文回顾了一些关于电磁防护以及隐身舰船发展方面的电磁场计算方法。新的计算机算法使电磁计算方法取得了明显的进展,这种新的计算方法可以处理任意几何外形的薄壁面结构,并能降低计算所需资源。目前的目标是发展一种统一的算法,可以涵盖从静电场到光学射线场的所有频段电磁场。目前,矩量法和近似算法理论之间存在明显差距,试图将两者之间进行结合的数次尝试并没有取得成功。 作者:雷津 龚昱玮 单位:武汉海军驻719所军事代表室 西安海装西安局 电动力学论文:电动力学课程教学改革的思考和实践 摘 要 电动力学是介绍电磁场和电磁波基本规律及其狭义相对论理论的课程,是大学物理学和光电信息等相关专业的必修课程,是支撑现代科技不断发展的重要理论知识。电动力学具有很强的理论性,学生学习这门课程的难度较大,难以取得良好的教学效果。因此,本文将深入研究和思考电动力学的教学现状,并指出电动力学课程教学改革的思路,旨在改善电动力学课程教学模式,提升教育教学效果。 关键词 电动力学课程 教学改革 思考 实践 电动力学是四大力学之一,综合了经典电磁学的最高成就,相对电磁学而言,其可以揭示物理现象的本质和规律,具有概念、公式、符号抽象,内容繁多,教学效率较低的显著特征,是电子通信相关专业的重要基础课程。随着科学技术的迅猛发展,电动力学在通信、电工、超导和微电子等诸多领域都得到了广泛应用。电动力学课程中的物理概念和思想较为抽象,不易理解,学生只有具备扎实的数理基础和丰富的想象力,才能理解和掌握电动力学课程中的物理概念和数学方法。由于电动力学是物理学相关专业的重要基础课程,也是推动现代科学技术不断发展的基础理论,因此,深入研究和思考电动力学理论课程教学存在的问题,总结出提升电动力学教学效果的建议,对促进高校电动力学的教学改革和推动现代科学技术的发展具有重要意义。 1电动力学教学中存在的问题 1.1教学内容多,课时少 电动力学主要涵盖电磁现象的普遍规律、静电场、静磁场、电磁波的辐射和传播以及狭义相对论等五大部分的教学内容。仅有电磁波的相关内容广泛应用于生产生活、军事和物理学研究前沿等领域。在电动力学实际的教学工作中,电动力学教师通常会依照教学大纲进行讲解,注重静电场、静磁场等相关内容的理论知识、基本方法以及电磁波在实际生产生活中的应用,电磁波在物理前沿以及军事方面的应用长期得不到电动力学教师的重视,导致这种现象的缘由是电动力学课程本身有着物理概念抽象、符号和公式难以理解以及教学难度大等显著特征,教学内容多和课时少的矛盾突出,这势必会导致电动力学教师为了提升考试通过率而减少教学内容,这就大幅度降低了电动力学的教学效果和学生的学习成绩。 1.2教学方法有待改善 受我国传统接受式教学模式的影响,电动力学的教学活动主要以教师为中心,教师在实际的教学活动中处于主体地位,主要采取讲解、板书以及多媒体等教学模式向学生传授知识,学生在学习过程中处于被动地位,这样的教学模式有利于学生及时理解电动力学的概念,但是却制约着学生独立思考能力的发展,不利于增强学生主动参与教学活动的积极性。另外,随着多媒体技术在教学活动中的普及和应用,大多数教师逐步从传统“粉笔+板书”的教学模式向以多媒体为主、板书为辅的教学模式过渡,这就会导致教师讲课的语速不自觉的加快,学生在课堂上几乎没有独立思考的时间,也不可能准确理解和掌握课本上的基本概念和有关公式的论证过程,大大降低了电动力学课程的教学效果。 1.3考核方式不完善 目前,绝大部分高校的电动力学考核方式有两部分构成,即平时成绩占30%,期末考试成绩占70%。平时成绩主要取决于学生的课堂表现和作业完成情况,而期末测试注重对课本基础理论知识的记忆和模仿,几乎没有综合能力的测试。所以学生只重视期末考试,平时学习电动力学的积极性不高,通过考前临时性的记忆完成电动力学课程的考核已经成为一种常态,这样的考核方式不利于学生探索性思维的发展,也不利于学生全面掌握电动力学的相关知识。 2电动力学课程教学改革的思考和实践 2.1调整教学内容 在实际的教学工作中,大多数学生在面对电动力学复杂的运算推导时通常会表现出畏难情绪,对公式的推导束手无策,从而失去了学习电动力学的积极性。因此,电动力学教育工作者要积极主动地调整教学内容,在正式讲解电动力学课程之前增添数学基础知识的讲解,协助学生解决学习电动力学的数学障碍,从而树立起学好电动力学课程的信心,从而提升该课程的教学效果和学生的学习成绩。 2.2创新教学模式 电动力学教师要根据教学要求和学生的实际情况,灵活地运用教学方法。教师要主动并善于分析电动力学课程不同章节之间的联系,总结出处理问题的共同点和不同点,不断创新教学模式,从而达到事半功倍的教学效果。例如在讲解静电场和静磁场这部分内容时,电动力学教师利用静电场和静磁场研究方法相似的特征,深入讲解静电场这部分内容,让学生准确掌握静电场的各种分析方法,之后再采取类比法讲解静电场的相关内容,这样有利于培养学生灵活运用知识的能力。与此同时,电动力学教师要善于利用多媒体技术教学,将复杂和难以理解的物理学现象通过多媒体技术形象生动地呈现在学生面前,为学生理解疑难问题创造良好的条件,从而提升电动力学的教学质量。 2.3健全课程的考核方式 电动力学教学工作者要不断健全课程的考核方式,增强学生学习电动力学的积极性。各大高校可以适当地提升平时成绩占总成绩的比例,积极贯彻学习为目的、考核为手段的教学理念,让学生清醒地认识到学习过程的重要性作用,丰富考核的内容和方式,从多方面考察学生的知识和能力。例如在每单元结束时进行单元测试,将单元测试的成绩纳入平时成绩;定期开展探究性的学习活动,培养学生获取知识、分析和解决问题问题的能力,并将探究性学习的成果纳入平时成绩;在期末考试试题中增大综合题目的比重,从而让学生更加重视电动力学的学习。 3结论 电动力学是物理学相关专业的优秀基础课程,对培养和提升学生的抽象思维能力具有重要作用。在电动力学的实际教学中依旧存在着教学内容多和课时少矛盾、教学方法有待改善和考核方式不完善等诸多不良问题,电动力学教师要注重课程教学的改革工作,积极调整教学内容、不断创新教学模式和健全课程的考核方式,从而有效提升电动力学的教学质量,为我国现代科学技术的发展培养出更多的高素质人才。 电动力学论文:可视化技术在电动力学教学中的应用 摘 要:针对电动力学学习中学生常会遇到的某些难以理解的抽象概念,介绍了可视化科学计算软件MATLAB在电动力学教学中的应用。旨在帮助学生理解和掌握电磁场的规律,初步掌握电磁学的数值计算方法,提高学生的科研能力。 关键词:MATLAB;电动力学 TM1-4 一、引言 电动力学是研究电磁场的基本性质运动规律以及它与物质相互作用的一门学科,是高校物理学专业本科阶段学生的优秀课程。然而由于其抽象的电磁场理论和繁琐的数学推导,且无法观察到直观地实验现象,导致部分学生过于依赖书本,不去独立思考,甚至产生厌学情绪。 为了改变这一现象,我们必须要让抽象的概念形象化,同时让学生初步掌握电磁学的数值计算方法,才能提高学生实际运用电磁理论的能力。然而现在大部分基于Flash、Photoshop、3D Studio MAX的仿真模拟实验,尽管能够制作生动的实验过程动画,但却对物理实验规律和过程很少涉及,很难做到真正的交互使用。 而MATLAB作为美国Math Works公司开发的一套高性能的数值计算和可视化软件,则因其高效可视化有推理能力等优点,已经在大学教育和科学研究中的得到了足够的重视和广泛的应用。其语言简单,计算能力强,工具箱中有大量的求解常微分方程(ode)和偏微分方程(pde)的函数,正好满足物理过程的数值计算要求,既可在求解拉普拉斯方程边值问题时体现物理问题与数学结合的研究方法,又可通过数值求解来算出各点的电位值和做出分布图形,直观地分析场内各点场的分布情况。 二、MATLAB与绘图有关的命令 输入命令的方式有两种,一种是在命令窗口直接输人简单的语句另一种工作方式是M文件的编程工作方式当使用绘图语句时,MATLAB就自动打开一个图形窗口。一些较为常见的作图命令如下: 1.在已有图形上继续作图的指令是hold on:取消这种功能的指令是hold off。 2.二维图形绘图命令中最基本的指令就是plot如果输人两个矢量x,y,则plot(x,y)产生的是y相对于x的图形。 3.MATLAB中的曲面是用xy平面上的各个格点上的坐标z来定义,相邻点用直线连接,并建立平面的数据网格。生成数据网格的命令是meshgrid。mesh是三维网格作图命令,mesh(x,y)画出了每一个格点(x,y)对应的z值。 三、利用MATLAB辅助教学实例 1.标量场梯度的计算 在电动力学的课程学习中,矢量分析是基础的数学工具,也是之后课程内容学习的关键。在矢量分析中,散度作为描述矢量场的有源性的量,相对容易理解,计算也简单;旋度、梯度的难度相对大一些。以梯度概念为例,介绍借助MATLAB来计算及理解梯度矢量。 【例】求解标量场 的梯度 梯度是方向导数的最大值,是与等值面垂直的一个矢量。我们利用MATLAB中的梯度函数就可以作出等值面和梯度图。 源程序及绘图结果如下: 2.点电荷产生的电势 已知点电荷Q激发的电场强度为 ,其中 为源点到场点的距离。把此式沿径向由场点到无穷远点进行积分,把积分变数写为 , 可得出真空中点电荷的电势函数为 ,通过分析我们得知,其电势在空间中的分布为以点电荷为球心的一系列球面,每个球面上电势大小相同。 3.电偶极子场的分布 电偶极子是等量异号点电荷组成的电荷系统,其特征用电偶极矩p来描述,其中p=ql,p和l的方向规定为由-q指向q。中心位于坐标原点的电偶极子在其远方产生的场的电势为 ,对此式求梯度即可得到为于原点处电偶极子产生的场强 。 其源程序及作图如下: 四、结语 本文根据电动力学的特点,介绍了可视化软件MATLAB在电动力学教学中绘图和科学计算的便捷应用。我们认为计算机辅助教学不仅只是用计算机制作教学课件,更应该用来解决一些思维抽象计算繁杂的教学难题。例如在电动力学教学中利用MATLAB,则能使电磁场概念大大形象化,让学生不仅加深对抽象的场的理解,更能学会利用计算机进行科学计算和模拟物理现象的基础知识。这样不仅会提高教学效果,而且有利于激发学生的学习兴趣,培养学生的学习能力和科研能力。 电动力学论文:Matlab绘图在电动力学教学中的应用探索 摘要:根据电动力学的特点,在教学中引入Matlab软件,使用其绘图功能把抽象的物理知识和物理现象用形象、直观的图形表示,帮助学生对知识的理解和掌握,提高了教学质量,值得进一步的推广应用。 关键词:Matlab;电动力学;教学改革 1.电动力学教学现状分析及Matlab的引入 电动力学是高校物理专业及相关专业学生在电磁学基础上继续深入学习的一门重要的理论基础课。我院选的教材是高等教育出版社郭硕鸿先生编写的电动力学第三版,教学主要内容可以分为五个部分:电磁场的基本方程、静电场、静磁场、电磁波和狭义相对论。调查显示[1],在教学内容上,教师都相当重视基础内容,教学方法仍趋于传统的教学方法,讲清基础知识、基本概念,渗透科学方法,强调物理概念和数学描述的统一,体现物理学知识的整体性。虽然已有一部分教师采用了一些研究生学习的方式和引入英语教学等手段来进行教学方式的改革,但并未引起广泛的重视,特别是在电动力学中引入计算机软件辅助教学方面更加少有人问津。 Matlab是国际上公认的最优秀的科技应用软件之一,Matlab软件易于操作,简单易懂,已逐渐被用于大学物理、电磁学等本科院校的教学当中[2-4]。对于理工科院校本科教学来说,采用Matlab软件比较合适。我院学生在前期已开设了Matlab基础课程,再结合电动力学内容生涩难懂,物理知识、物理现象不能形象直观的描述等因素,我们在教学中引入了Matlab强大的绘图功能,要求每一位学生针对某一个知识点或者物理现象画出Matlab图形,并形成M文件。一学期后,同学们均能达到基本要求,效果良好! 2.Matlab绘图给教学带来的优势 引入Matlab绘图辅助教学,把可视化教学和传统的教学模式结合起来,一方面可以把抽象的物理知识变成清晰的图象,很大程度上帮助了学生对电磁场和电磁波传播规律的理解和掌握,另一方面可以向学生传达更多更新的教学内容,展示与电动力学相关的更丰富的物理现象,最终达到激发学生的学习兴趣,提高了教学质量,同时也培养学生的想象力、创造力以及处理实际问题的能力。 3.应用举例 我们一共收到43份Matlab图形及M文件,其中描述静电磁场有27份,电磁波的传播有7份,描述一些主要物理现象如磁聚焦现象、带电粒子在恒定磁场中的螺旋运动、电磁波的衍射等有9份。 4.结束语 通过Matlab强大的绘图功能把电动力学中的知识点和物理现象用图形直观、形象的表达出来,加深了学生的理解,激发了学习的兴趣。通过一学期的探索,该教学改革是切实可行的,我们将进一步在教学和科研中进行推广。 电动力学论文:微连续体的电动力学 【摘 要】引力场是由无数相干的引力子一个接一个地在空间中分布形成的一个具有相干结构的连续的整体;光能量是一份一份不连续的,但每个光波都是一个量子化的连续体的整体波动,就好像每个声波都是一群粒子整体的连续的波动一样。方向性、粒子性、概率性是包括声波在内的任何一种波频率足够高时都可显现出来的的波的三大共性。微连续理论从自然最深层次上解释了物体具有惯性的原因,揭开了光速不变之迷,并在狭义相对性原理和等效原理的基础上阐明了光速的相对性,推导出了超光速质能方程和超真空泡原理。 【关键词】场分子;光障;场激波;超光速质能方程;超真空泡效应 1 引力与电磁力的统一 引力场是由无数与奇点相干的引力子在宇宙空间中一个接一个地分布形成的一个连续的整体。引力是奇点和它本身的引力场原有的平衡状态被其它奇点打破产生的一种压力。例如,在真空中有一个静止的引力场奇点1,奇点1的引力场对奇点1产生的压力是各向均等的,这使得奇点1和它的引力场能够保持一种相对平衡的状态,使奇点1相对静止在它的引力场的中心。把奇点2放到奇点1的引力场中,奇点1和它的引力场原有的平衡状态就会被打破,使奇点1的引力场中的每个引力子都有以奇点2为中心从各个方向指向奇点2重新分布的趋势,从而对奇点1产生一个指向奇点2的压力,压力的大小与两奇点间距离的平方成反比,这个压力表现出来就是奇点2对奇点1产生的引力。与此同时,奇点2和它的引力场原有的平衡状态也会被奇点1打破,使奇点2受到一个指向奇点1的压力,压力的大小与两奇点间距离的平方成反比,这个压力表现出来就是奇点1对奇点2产生的引力。引力的这种产生方式与相对论描述的时空弯曲是等效的。与引力场类似,一个电荷的电场是由无数与电荷相干的电场分子(电场分子是构成电场的最小物质组分,也是光波的媒介)在宇宙空间中一个接一个地分布形成的具有相干结构的连续的整体,即微连续体。引力场并不局限在场奇点周围的空间区域,而是向空间中无限延伸,其影响是非局域的,所以,电荷的电场也并不局限在电荷周围的空间区域,而是非局域的,电场力与引力一样,其大小都与距离的平方成反比。一个正电荷和一个负电荷并排在一起,与正电荷相干的电场分子就会有以负电荷为中心,从各个方向指向负电荷重新分布的趋势,使正电荷受到一个指向负电荷的压力,表现出来就是负电荷对正电荷产生的吸引力;与此同时,与负电荷相干的电场分子也会有以正电荷为中心,从各个方向指向正电荷重新分布的趋势,使负电荷受到一个指向正电荷的压力,表现出来就是正电荷对负电荷产生的吸引力。两个同种电荷并排在一起,每个电荷的电场分子都会有以对方电荷为中心,指向各个方向重新分布的趋势,使每个电荷都受到一个由两电荷的内侧指向两电荷外侧的压力,表现出来就是两个同种电荷间互相排斥的电场力。一个静止的电荷在场的作用下向前运动,会带动它周围空间中相干的电场分子一起向前运动,这些电场分子又会带动空间中相干的电场分子一起向前运动,在与电荷运动方向垂直的界面上,与电荷相干的电场分子并不是直线向前运动的,而是一边绕着电荷旋转一边向前运动,从而形成一个以电荷为中心的磁场涡旋,磁场涡旋的方向就是磁场的方向。稳定的磁场涡旋一但形成,就可长期存在,没有外力的作用就不会自动消失,就像超导线圈中的电流一但形成就不会自动消失一样。电流方向不变,电流大小呈周期性变化的振荡电流叫做单向振荡电流,磁场方向不变,场强大小呈周期性变化的振荡磁场,叫做单向振荡磁场;电流或磁场的大小和方向都呈周期性变化的叫做双向振荡。与此类似,电场(磁场)分子流涡旋的方向不变,电场(磁场)分子流大小呈周期性变化的振荡叫做单向振荡;电场(磁场)分子流涡旋的大小和方向都呈周期性变化的叫双向振荡。单向振荡的电流可在其周围空间中激发单向振荡的磁涡旋,单向振荡的磁涡旋可在其周围的空间中激发单向振荡的电涡旋,单向振荡的电涡旋和单向振荡的磁涡旋在空间中交替产生形成单链式电磁波。让两列时间相差半个周期的等幅同频率的超高频单链式电磁波经过等长的路经后叠加,便可在空间中合成一个超低频单向振荡的无源的磁场,使通恒定电流的导体受到一个方向不变的电磁力的作用,推动飞船前进,这就是大推力量子引擎的基本原理。双向振荡的电涡旋与双向振荡的磁涡旋在空间中交替产生形成双链式电磁波。普通的无线电波和光都是双链式电磁波。在空间中互相激发交替产生的电涡旋和磁涡旋总是互相垂直的,且两者都是由大量相干的电场分子的涡旋运动形成。我们都知道,液体是不可以产生和传播横波的,而大量相干的液体分子彼此远离,密度变得极低,使张力远大于斥力后,便可形成具有相干结构和固定形状的膜,产生并传播横波。一个电荷的电场分布在宇宙中的电场分子的密度虽低,但这些电场分子形成了像膜一样的相干结构,所以能产生和传播横波。因为不同电荷的电场分子是不能形成传播横波的相干结构的,所以,在一个电荷的电场里传播的光能不能直接传到另一个电荷的电场中去,就好比两个光波彼此穿过后,仍保持各自的独立性,一个光场中的动能不能传到另一个光场中去一样。每个电磁波中的电涡旋和磁涡旋都是由同属一个电荷的相干的电场分子运动形成。无论是引力还是电场力,或是磁场力,实际上都是由空间中与场奇点相干的场分子与场奇点间原有的平衡态被打破而产生的,都是与场奇点相干的场分子对场奇点直接产生的作用力。实验证明,每个观察者接收到的电磁波都是以观察者自身的电场为载体来传播的。静止或匀速运动的电荷,它的电场也是静止或匀速运动的,这一点有大量实验可证明。无论观察者以什么样的速度匀速运动,观察者的电场相对于观察者都是静态的电场,两者总是处在同一个非局域的惯性系中,这必然导致真空光速相对于观察者恒定不变,而光行差角也会严格地只与地球和恒星的相对运动有关。结合等效原理,在不违背狭义相对性原理的前提下,光速的相对性可归纳为两点:(1)无论光源和观察者如何运动,在真空中传播的光,其速度相对于接收它的观察者恒为c;(2)在真空中传播的光,其速度相对于不是接收它的观察者可变。 2 超光速传输信息实验 在真空中选取AB两个相距较远的点,将一根长杆平放在B点旁边,让长杆与AB两点的连线垂直,长杆与B点间的距离很短,可忽略不计。让一个激光器和一块平面镜分别以相同的速度沿着两条平行于长杆的直线从左向右同时匀速穿过AB两点,激光器和平面镜始K处在同一个惯性系中。激光器到达A点的瞬间向B点方向垂直射出一束激光,平面镜穿过B点向右匀速移动一段距离后把激光垂直反射到长杆上的O点。在上述实验中,激光器经过A点瞬间发出的激光被分成两束,一束从A点直线射向长杆上的O点,所花的时间为t1,另一束从A点垂直射向B点,被平面镜的电场向右拖曳后,经平面镜垂直反射到长杆上的O点,所花的时间为t2,t1 t2。这证明第二束激光以超过真空光速的速度从A点传到了O点。但对O点上的电荷来说,激光只不过是走了一条比较短的“捷经”而已,它们观察到激光是从A点右方与平面镜相对应的点发出的,它们观察到的光速仍是c,但这并不是真实的光速。在激光器和平面镜间传播的光,平面镜才是接收者,O点上的电荷并不是接收者,O点上的电荷接收到的光实际上已不是激光器发出的光,而是平面镜上的原子受激辐射出的光,只是两者的频率相同而已。因此,在激光器和平面镜间传播的激光,其速度相对于平面镜恒为c,相对于O点上的电荷却是大于c的。 3 物体具有惯性的原因 物体保持静止状态或匀速直线运动状态的性质称为惯性。牛顿在巨著《自然哲学的数学原理》里定义惯性为:惯性是物质固有的力,是一种抵抗的现象,它存在于每一个物体当中,大小与该物体相当,并尽量使其保持现有的状态,无论是静止状态或是匀速直线运动状态。可见,牛顿早就已经认识到了惯性与力有密不可分的关联。像电子、夸克等实物粒子实际上都不是能够独立存在的最小物质组分,而是各种场的奇点。因为场奇点和场是个不可分割的整体,所以,任何实物都不能脱离有关的场而独立存在。在没有外力或合外力为零的情况下,一个场奇点的场对该场奇点产生的压力在各个方向上都是均等的。若要改变一个场奇点的运动状态,首先要改变该场奇点周围区域的场的状态,场奇点周围区域的场的状态被改变产生的影响,会以光速传遍整个非局域的场。因为场是由无数互相联系互相影响的场分子组成的一个连续的整体,即微连续体。在没有外力或合外力为零的情况下,微连续体中的每个物质组分都在张力和斥力的作用下维持其在整体中的位置不变,以维持整个微连续体的平衡状态,一旦有外力打破这种平衡状态,微连续体必然会产生抵抗的力,对外表现出惯性。这就好比静止在湖水下面的小球,受到来自各个方向的水压力,这些压力大小均等,方向相反,合力为零。站在岸上观察,小球是静止的,站在匀速行驶的汽车中观察,小球是匀速运动的,但小球与湖水仍是相对静止的。若要改变小球的运动状态,可用非局域的场将整个湖与小球一起移动,就像地球引力场带动整个湖与小球一起转动一样。也可用推力改变小球相对于湖水的位置和运动状态,湖水反向的压力必然会使小球表现出的抵抗的力。由此可见,场奇点的惯性实际上是场奇点自身的场对场奇点产生的压力的一种表现。因为场奇点和它的场是个不可分割的整体,而场是看不见的,所以,人们才会误认为惯性是场奇点(即实物粒子)自身的属性。 4 波的粒子性与概率性 无论是电磁波还是机械波,波的频率达到或超过一个临界值后,波的方向性就会明显表现出来。比如,频率很高的超声波与频率很高的光波一样,都是接近直线传播的。波的频率越高,波的方向性就越强,在与波传播方向垂直的界面上,波的作用范围就越小。在金属中,原子外层的价电子可脱离原来所属的原子而成为在金属中自由地做热运动的自由电子。但在温度不是很高时,自由电子并不能大量逸出金属表面,这说明金属原子对自由电子有一定的引力以阻碍自由电子逃逸出去,自由电子若要挣脱出来必须克服这种引力做功,这个功叫做逸出功。在导体中的电流实际上就是电场力克服了金属原子的引力使自由电子定向移动形成的。频率比较低的电磁波遇到金属表面的自由电子时,可同时驱动自由电子所处的波界面上大量的电场分子一起做步调一致的振荡运动,近而带动自由电子一起做同频率的振荡运动。就好像水波,其频率虽低,但大量水分子整体的波动却可产生强大的力带动水面上的物体一起做同频率的振荡运动。而频率很高的光波由于其方向性强,在与光波传播方向垂直的界面上,光波的作用范围太小,只能驱动波界面上的一个或极少个电场分子去撞击电子,表现出明显的粒子性。就好像在水中传播的特超声波,由于其方向性强,在与特超声波传播方向垂直的波界面上,特超声波的作用范围太小,只能驱动一个水分子或极少个水分子去撞击物体,表现出明显的粒子性。光波的频率越高,撞击力就越大,电子在被撞击瞬间获得的动能就越大,电子从撞击中获得的动能等于光量子的动能hv。一个电子不能同时获得两个光波的能量,若一个电子获得一个光波的能量后还不能挣脱金属原子的引力,电子获得的能量就会在瞬间消散,这导致每个电子获得的能量不能累加。因此,光频率达不到金属的极限频率时,增加光强和光照时间都不能产生光电效应。因为撞击不但改变了电子的动量和位置,也改变了光波的媒介――电场分子的动量和位置,所以,一列光波不能总是驱动同一个电场分子去撞击同一个电子,而是每个周期都随机地驱动一个不同的电场分子去撞击另一个电子,标记下每个光子的撞击点,就会发现大量光子的撞击点的分布是有规律的。大量特超声波的撞击点的分布也是有规律的,可见,粒子性和概率性,与方向性一样,都是波的频率达到一定的值后才能显现出来的波的一种共性。 5 熵的加速度与宇宙时间 一个物质系统的熵反映了该物质系统的状态的混乱程度,即无序度,熵越大,无序度就越大。熵增大的趋势表现出来的力叫做正熵力,阻碍熵增大或使熵减小的力叫做反熵力。熵的加速度等于物质系统的合熵力与该物质系统的质量的比值,它可以改变熵增大或减小的速率。外界的压力可抵消物质系统的正熵力,使熵的加速度减小,熵增加得慢。例如,储存在钢瓶中的液氧,在熵增大的趋势下,大量的氧分子总是趋向于占据更大的空间,向外扩张产生正熵力。但在瓶壁的压力下,绝大部分正熵力都被抵消了,熵的加速度很小,熵变化得很慢,使得大量的氧分子长期保持液体状态,并使每个氧分子热振动的频率变得很低,热辐射很低。一旦钢瓶的压力消失,熵的加速度就会变得很大,液氧很快就会气化,每个氧分子热振动的频率都会变大,使热辐射升高。在微观世界中,可用激光产生的压力来抵消一群粒子的正熵力,将粒子束缚在一起,并使每个粒子热振动的频率降低,热辐射降低,这就是激光制冷技术。一个孤立系统的时间速率反映了该孤立系统所有的物理量(包括所有宏观的物里量和所有微观的物里量)变化的平均速率,它与该孤立系统的所有熵,包括宏观的熵和微观的熵(即总熵)增大或减小的速率相关,与熵的方向无关。而一个孤立系统的场分子(包括电场分子、引力子等各种场的分子)熵的加速度与该孤立系统的总熵速率成正比关系,所以,孤立系统的时间速率与场分子熵的加速度成正比关系,与场分子熵的方向无关。在真空中高速运动的飞船会带动周围空间中的场分子一起向前运动,这些场分子产生的负熵力会抵消飞船内场分子的正熵力,使飞船内场分子熵的加速度减小,场分子的振动频率减小,时间频率降低,原子钟变慢。飞船的速度越大,飞船内被抵消的场分子的正熵力就越多,飞船内场分子的振动频率就越小,时间频率就越低,原子钟走得就越慢。但即使飞船以光速或超光速飞行,也无法使飞船里的时间停止,更无法使时间倒退。强引力也可以抵消场分子的正熵力,使场分子的振动频率减小,时间频率降低。飞船在靠近大质量物体时,飞船内场分子的正熵力会被强引力抵消,使飞船内场分子的振动频率减小,时间频率降低,原子钟变慢。但当引力大于正熵力时,引力越大,场分子熵的加速度就越大,场分子熵减小的速率就越大,时间反而变得更快了。这种情况下,时间已不能用原子钟来观测,只能通过“引力钟”来观测。宇宙的时间速率取决于宇宙总熵的加速度,与观察者的运动状态无关。因此,宇宙时间对任何参考系都是一样的,同时并不是相对的,在同一宇宙时发生的两件事情相对于任何参考系都是同时发生的。 6 超光速迁移 除中微子外,目前人类观察到的所有实物粒子在真空中运动都会带动其运动方向上的场分子向前运动。当粒子的速度增加到接近光速时,粒子前方的场分子因来不及散开而被到压缩到粒子身上,密度突然增大,使粒子的质量显著增加。粒子的速度越大,场分子的密度就越大,粒子被附加的质量就越大,粒子就越难以加速,这种现像叫做光障。低于光速时,粒子的质量可用相对论的质速公式来计算出近似值,但粒子的速度无限趋近光速时其质量并不会增加到无穷大。当光障附加到粒子身上的质量达到一个阀值时就会产生剧烈的质量衰减反应,大量被压缩到粒子身上的场分子以波的形式向四周围散开,带走光障的质量,使粒子被光障附加的质量迅速减少。此时,若对粒子加以足够大的力,使被压缩到粒子身上的场分子数大于离散数,粒子的质量仍会随着速度的增大而有所增加,但粒子被附加的质量越大,质量衰减的速度就越大,这导致相对论的质速关系失效。实验证明,电子被光障附加的质量达到电子自身质量(即电子的静质量)的大约210倍时,就会产生剧烈的质量衰减反应,电子被加速到光速时,其质量大约是静止质量的3600倍。当电子的速度超过光速时,大量场分子就会遭到强烈的压缩而形成场激波。光障的产生是飞船加速到光速的最大障碍。如果全飞船上的每一个粒子都产生光障,整艘飞船被附加的质量将十分巨大,飞船不但无法加速到光速,还可能会解体爆炸。怎样才能够让飞船突破光障呢?唯一的办法就是将光障屏蔽在飞船外,并尽量减小光障的阻力。试想一下,让一亿个小珠子独立地在空气中接近音速飞行,就会产生一亿个音障,这一亿个音障产生的阻力是非常巨大的,把这一亿个小珠子拼凑成一个乘波体,音障就只在乘波体的外表面上产生,阻力就会变得很小。同理,让一亿个小珠子独立地在真空中接进光速飞行,就会产生一亿个光障,这一亿个光障附加的质量是非常巨大的,把这一亿个小珠子拼凑成一个乘波体,光障就只在乘波体的外表面上产生,乘波体被附加的质量就很小。举个实例,每个原子核都是由一定数量的夸克构成的,但一些从核子中对撞出来的夸克的质量却超过了整个原子核的质量。夸克的质量是被光障附加的,对撞的能量越大,对撞出的夸克的速度就越大,光障附加的质量就越大。夸克会像丢包袱一样把附加在它身上的质量丢掉,衰变为更轻的夸克。采用特殊的材料并设计成乘波体的飞船可使光障只在飞船的外表面上产生。理论计算表明,一艘质量为100吨的乘波体飞船的速度增加到光速时,光障附加在飞船外表面的质量大约只有30吨,不到飞船静质量的三分之一。当飞船的速度增加到超光速时,大量场分子(下转第38页)(上接第16页)就会遭到强烈的压缩而形成场激波,产生类似于音爆的光爆现象。因为,每个观察者接收到的光波都是以观察者自身的力场为载体来传播的,所以,只有运动物体相对于观察者的速度超过光速时,观察者才可能观察到光爆,而位于超光速物体运动方向上的观察者则无法观察到光爆。 7 超光速质能方程 爱因斯坦的相对论给出了低于光速时的质能方程,该方程并不适用于超光速粒子。一个正电子和一个反电子互相湮灭,只下光子,根据等效原则,我们可以这样解释相对论质能方程;拥有一定惯性质量的物体可转化为一束光波,这束光波具有的能量就是该物体所具有的能量,它等于该物体的质量与光速的平方的乘积,即E=mc2。相对论揭示了质量、能量和光速三者之间的内在联系,但相对论并不能解释光速为何不变,也就不能解释质能方程中的光速为何取c值。因为,真空光速相对于接收光的观察者恒为c,这一点有个前提条件,即光源相对于观察者的速度小于c。所以,质能方程中的光速只有在运动物体的速度小于c时才取c值。但当运动物体相对于观察者的速度超过c时,就会产生场激波,运动物体在观察者的力场中向前发出的每个光波都会被压缩到同一个激波阵中,成为一个激波量子,每个激波量子传播的速度相对于观察者都是超光速的,它等于超光速物体的运动速度v。因此,在超光速物体的质能方程中,光速应取v值,即E=mv2。 8 超真空泡效应 任何实物粒子都是由场奇点构成。粒子的速度低于阀值时,粒子和它的场是个不可分割的整体,但当粒子的速度超过光速并达到一个阀值时,就会产生接近绝对真空的超真空泡把粒子和它的场隔开。这与水中的超空泡相似:大量高速运动的水分子互相远离使水分子间的张力远大于斥力,从而形成具有相干结构的超空泡。与此类似,真空中大量高速运动的场分子互相远离使场分子间的张力远大于斥力,便可形成具有相干结构的超真空泡,把实物粒子(即场奇点)和它的场分隔开。因为实物粒子的惯性实际上就是场奇点自身的场对场奇点产生的压力的一种表现,所以,实物粒子和它的场被超真空泡分隔后,其惯性质量就会被空虚化。在超真空中的实物粒子,其摩尔数不变,但惯性质量却因空虚化而变得极小,只须很小的力便可获得很大的加速度,且其惯性质量不会随着速度的增大而增大。这种情况就像在水中旋转的螺旋桨,刚开始时,水对桨叶的阻力随着转速的增大急剧增大,但当转速达到一个阀值时,就会产生超空泡效应,超空泡将桨叶和水隔开,使水对桨叶的阻力急剧减小,接近消失,导致螺旋桨空转而损毁。超光速飞船的速度达到一个阀值时,也会产生超真空泡效应,飞船在超真空中运动,其摩尔数不变,但惯性质量却因空虚化而变得极小,只须很小的推力便可使飞船获得很大的加速度,且飞船的惯性质量始K保持一个极小的值,不会随着速度的增大而增大。 电动力学论文:PAN/PMMA凝胶聚合物电解质膜导电动力学研究 【摘要】本实验采用静电纺丝法制备PAN/PMMA凝胶聚合物电解质膜,用交流阻抗法测试了其电导率,研究了温度对凝胶聚合物电解质膜离子传输性能的影响规律,并与溶液浇铸法制得的平滑膜进行对比;分析了两种不同形式凝胶聚合物电解质膜的导电动力学规律,探索了其导电机理与微观形貌的关系。结果发现,静电纺丝薄膜的离子电导率较高;两种薄膜的导电机理符合Arrhenius方程,其中纺丝薄膜的离子导电活化能较低。 【关键词】静电纺丝;交流阻抗;活化能;离子电导率 锂离子电池是一种工作电压高、比能量大、循环寿命长的新型电池。目前商业使用的电解质主要是液体电解质,它的优点是电导率高,但存在稳定性差,电解液易泄漏等安全隐患。全固态聚合物电解质虽然安全性高,但电导率太低,限制了其应用;凝胶聚合物电解质融合了以上两者的优点,但机械性能差,难以在现有电池生产线上进行组装,同时面对下一代新能源汽车所使用的动力电池,仍存在室温电导率不足的问题[1]。而静电纺丝工艺是一种孔隙率高,形貌易于控制的新型制膜技术,可以改善凝胶聚合物膜的性能,并解决以它为电解质的电池组装问题[2]。所以研究这一电解质膜的制备工艺、导电性能以及导电机理具有重要的意义。 本实验中,我们用静电纺丝法制备了PAN/PMMA基凝胶聚合物电解质薄膜,采用交流阻抗法测试了凝胶聚合物电解质膜的电导率,并与溶液浇铸法制得的薄膜进行比较,建立了其导电模型。在实验教学中几乎还没有涉及凝胶聚合物电解质的实验,将这一研究内容引入本科物理化学实验,可以使学生较早地接触前沿科学,更好地了解现代化学的发展方向,有利于研究型人才的培养。 1 实验目的 ①学会静电纺丝法制备凝胶聚合物电解质多孔膜; ②了解交流阻抗法测试电导率的基本原理并掌握测量方法; ③测试不同温度下电解质膜的电导率,探索电导率与温度的依赖关系并研究其导电机理。 2 实验原理 静电纺丝法制膜是聚合物溶液在高压电场作用下,克服表面张力,从喷射口喷出,形成微小射流,最终固化得到的多孔纤维薄膜。通过更改纺丝参数,我们可以得到不同孔状结构的纺丝膜,实现对膜形貌的调控。 交流阻抗法测试电解质隔膜的电导率。其原理是对膜与电极构成的电化学体系施加小振幅对称正弦波扰动并测其响应,以此绘制出交流阻抗谱图,再计算得到膜电阻,最后求出电导率。 目前,大部分凝胶电解质的离子导电机理符合Arrhenius方程[3-6], (1) 对上式取自然对数, (2) 可以看出1/T与 之间存在线性关系,将实验数据以1/T为横坐标, 为纵坐标进行线性拟合,如果符合线性规律则体系满足Arrhenius方程;由此还可以求出离子传输的活化能等参数。 3 实验仪器及药品 仪器:铝箔纸、5mL注射器、烧杯、温度计、镊子、1cm1cm不锈钢电极(2个)、油浴锅、CHI660e电化学工作站(上海辰华)、静电纺丝机(北京永康乐业科技发展有限公司)。 药品:硅脂、PC/EC―LiClO4溶液、无水乙醇(分析纯)、已配好的PAN/PMMA纺丝溶液,溶液浇铸法制备的PAN/PMMA平滑膜(配制PAN/PMMA含量为聚合物体系12wt%的溶液,倒入表面光滑的培养皿中烘干溶剂)。 4实验步骤 4.1静电纺丝法制备凝胶聚合物电解质膜 (1)实验准备 打开静电纺丝设备电源,打开照明灯和通风装置。在接收器滚筒表面铺一层铝箔,接口处用胶带粘连固定。 (2)参数设定与纺丝薄膜制备 将螺杆推进至未吸取纺丝液的注射器末端,设为前终止点。使用21号针头,用注射器吸取3mL纺丝液,排尽注射器中气泡。后退螺杆,放上吸入3mL纺丝液的注射器,将螺杆恰好推进至注射器末端,设为后终止点。设定注射速率0.25mL/min,接收速率20r/min,接收距离20cm,工作时间200min,正向电压15kV,负向电压-5kV。将电压夹头夹在注射器前端针头处。单击联机启动,仪器正常运转。待注射器内纺丝液喷射完全后,揭下滚筒上的铝箔,经过处理再将铝箔上的纺丝膜小心揭下,备用。 4.2聚合物电解质膜的电导率测试 (1)实验准备 用无水乙醇将电极及镊子擦拭消毒。用千分尺测量未夹膜之前两电极厚度l1并记录。从制备好的凝胶聚合物电解质膜上裁剪下一张1cm1cm的膜,平铺在一个不锈钢电极上,放上另一电极夹紧,即在两个不锈钢电极(SS)之间夹入制备好的薄膜(GPE),构成聚合物电解质阻塞电极体系(SS/GPE/SS)。用千分尺测量此时夹膜后两电极总厚度l2,(l2 -l1)为膜厚L。将夹紧膜的两电极片放入电解液中浸泡5分钟,取出放在滤纸上,吸去多余电解液。 (2)仪器参数设置 打开电化学工作站软件,选择交流阻抗法,输入电压0.01V,高频200kHz,低频42Hz,振幅0.01V,使用四电极法,绘制出电解质膜的交流阻抗谱图。 4.3不同温度下聚合物电解质膜的电导率测试 与常温下测试电导率相同,将夹紧膜的电极片与温度计固定在一起,放入试管中,将试管放入油浴锅中加热升温,将温度设置为30℃,40℃,50℃,60℃,70℃,80℃,90℃,分别绘制出PAN/PMMA纺丝膜在30℃-90℃范围内不同温度下的交流阻抗谱图。 用相同方法测试得到PAN/PMMA凝胶聚合物电解质平滑膜在30℃-90℃范围内不同温度下的交流阻抗谱图。 5 结论 静电纺丝法可以制备电导率高的凝胶电解质薄膜;PAN/PMMA凝胶聚合物电解质的电导率符合Arrhenius方程,其中纺丝膜有更低的离子传输活化能。 6 注意事项 ①纺丝过程中,有可能因为配的溶液过浓,导致喷头堵塞。如发生这种情况,应单击联机停止,再关闭正负电压,待示数降至零后,取下夹头,用纸巾擦拭喷头处后重新启动仪器。 ②电导率测试过程中勿触动电极片和导线,否则会导致测得的交流阻抗不准确,最后所得的电导率也会与实际偏差较大。 7 实验教学意义 本实验抽提于科研项目,其内容涉及到电化学基本理论、离子导电动力学基础知识以及静电纺丝制备多孔膜材料的新加工技术、电化学工作站的使用、数据处理、综合分析等内容,可以激发学生学习兴趣,培养学生扎实、宽广的基础知识,而且对培养学生理论联系实际,加强对仪器基本原理的理解、提高对分析方法的应用以及实际操作能力及创新思路能力具有非常深远的意义。 电动力学论文:本科物理学专业“电动力学”课程教学刍议 一、课程教学基本理念 第一,在教学中要尊重学生学习的主体性、教师教学的主导性,全面发挥学生的自觉性、主动性、创造性。第二,“电动力学”课程属于专业基础课程,教学内容安排上除了让学生学习本门课程的基本知识、基本理论、基本思路,与其他物理学分支也具有共性和个性的关系。针对这一特点,老师在教学中要注意引导学生相似性形象思维。第三,教学应突出探究式教学方法,改变传统的教学模式,把信息技术与电动力学课程最大限度地整合,运用多种现代教育手段优化教学过程,推行启发式、探究式、讨论式、小制作等授课方式,培养学生的创新思维和创新理念。 二、在本课程教学中应当做到以下几点 1.讲授内容应理论联系实际 “电动力学”作为一门专业学科课程,是师范院校物理专业的基础理论课。教学中要求学生掌握课程的基本知识、基本理论和基本原理,使学生加深对所授知识的理解,更可深刻认识电动力学的实际应用价值,达到学以致用的目的,同时提升学生分析问题、解决问题的能力。 2.注重学生学习的主体性和个体性培养 从课程的设计到评价各个环节,在注意发挥教师在教学中主导作用的同时,应特别注意体现学生的学习主体地位,以充分发挥学生的积极性和挖掘学习潜能。要求学生能初步分析生产、生活中的电动力学问题,以提升学生的分析问题和解决问题的能力。在电动力学理论的学习中运用数学工具处理问题,使学生认识数学和物理的密切关系,培养学生运用数学工具解决物理问题的能力。培养学生自学能力,重要的不是教内容,而是教给学生学习方法。 要充分注意学生的兴趣、特长和基础等方面的个体差异,因材施教,根据这种差异性来确定学习目标和评价方法,并提出相应的教学建议。课程标准在课程设计、教学方案、计划制订、内容选取和教学评价等环节上,为教学、学习提供了选择余地和发展的空间。 3.运用多种现代教育手段优化教学环节 充分利用现代化教学手段,发挥信息化教学的优势,增强学生的学习兴趣,进一步强化需要掌握的知识点,拓宽知识面,增强学生的实践操作技能,培养科学的思维方式,这样学生能更好地掌握“电动力学”课程知识所涉及的相关科学方法,有效提升其发现问题、分析问题、解决问题的能力。 4.具备良好的实验条件,充分保证实验和实践训练质量 鼓励学生开展科研实践训练,参加各类科技竞赛。实验课及实践训练要注意培养学生的逻辑思维、创造性思维,充分利用好物理、电子竞赛等创新平台,促进电动力学课程的教学。 三、课程学习策略探究 第一,针对“电动力学”是理论基础课的特点,学生必须坚持课前预习,预习过程中有意识地提出问题。课堂教学主要采用探究式课堂教学法,即每节课突出一个主题,讲清论透相关原理知识,每个主题通过师生多种形式的互动,教师及时了解、解决学生的疑难问题,以增强学生的学习兴趣。 第二,将传统板书、电子课件、网络和视频多种教学手段相结合。如课内讲授与课外讨论和制作相结合、基础理论教学与学科前沿讲座结合、基本理论与科研实践训练相结合。 第三,鼓励学生参加科研实践训练和各类科技竞赛。培养多样化应用型人才,以培养应用型、复合型、技能型人才,增强毕业生就业能力,完成本课的预期目标。 第四,电动力学也是一门实践性很强的课程,其研究对象是区别于实物的物质形态,具有抽象的特征。为避免课程教学的数学化,我们将充分应用当代信息技术的优势,比如说以视频教学资料增强学生的感性认识和动手能力。 再次,实验课及实践训练要注意培养学生的逻辑思维、创造性思维能力和素质,充分发挥学生的物理思维和物理探究能力。 四、课程教学方法探究 本课程教学中应注意电动力学理论与实践的结合,尊重学生学习的主体性,适当安排指导性自习,培养学生的自学能力。加强对学生课前、课后的答疑辅导,注重学生能力的培养,使学生通过对电动力学中基本理论的理解,认识和掌握电动力学原理的研究规律,开拓思路,初步培养学生的科研思维。 1.“双边反馈式”教学法 这种教学法由“自学”和“反馈”两部分构成,其着眼点是学生在教师指导下的自学和教师由反馈来的信息而进行的有重点的讲解,使学生的能力在反复训练中得到锻炼。“自学”和“反馈”体现了学生和教师的相互联系、相互配合、相互作用的训练过程。 2.以问题为中心,开展课堂讨论式教学法 建议课堂教学中遵循科学性、主体性、发展性原则,采用以学生为主体的小组讨论式的方法,从提出问题入手,激发学生学习的兴趣,让学生有针对性地去探索并运用理论知识解决实际问题;也可以针对教研室科研工作中遇到的问题设计讨论或思考题,以启发学生分析、讨论有关电动力学问题,学习并巩固电动力学知识,开拓思路,培养科研思维。 3.提倡学导式的教学方式 在教师指导下,学生进行自学、自练,教师把学生在教学过程中的认知活动视为教学活动的主体,让学生主动地去获取知识,发展各自能力,从而达到在充分发挥学生主动性的基础上 ,渗入教师的正确引导,使教学双方各尽其能,各得其所。 4.多开展课外实践活动 课外实践训练中,要注意培养学生的逻辑思维、创造性思维能力和素质。鼓励和指导有能力的学生进入科研实践训练,参加各类科技竞赛。将学生撰写的课程小论文融入教学全过程,从中选出有质量的项目进入科研实践训练。充分利用好物理、电子竞赛等创新平台,促进电动力学课程的教学,培养应用型、复合型、技能型人才,增强毕业生就业能力。 “电动力学”作为一门探究性课程,在课堂教学中,要突出学生的参与性,使他们主动获取而不是被动接受科学结论,互动思维使学生感觉电动力学发人深思,不难入门。“电动力学”与其他物理学分支具有“共性”和“个性”的关系。为了激发学生学习兴趣,可以经常采用课堂讨论形式,由学生提问,在教师引导下大家讨论,总结得出正确结论。由于分析“电动力学”需要运用抽象思维,所以课堂教学应充分使用多媒体,尽量使用图像和色彩搭配,使学生建立正确的物理图像。注意“信息技术”与“电动力学”课程的有效整合,这对于整体优化教学过程,提高学生的专业知识学习效果、提高学生的信息技术能力、培养学生的合作意识和创新精神均具有重大的现实意义。同时,可将教学理论应用到创新实践能力训练中,应用到物理、电子等各类竞赛中。 电动力学论文:浅谈电动力学的理论体系和研究方法 摘要:根据我校的教学实际,结合电动力学的课程特点,介绍了在学生学习和教师教学过程中应明确的电动力学的地位、知识结构和逻辑体系以及研究方法,为学生学习电动力学和教师教授电动力学提供有益的帮助。 关键词:电动力学;知识结构;逻辑体系;研究方法 本文根据我校的教学实际并结合电动力学的教学特点,分别介绍了学生学习和教师教学过程中应明确的电动力学的地位、知识结构和逻辑体系以及研究方法,希望能为电动力学的学习与教学提供有益的帮助。 一、明确电动力学的地位 电动力学主要阐述宏观电磁场理论,其研究对象是电磁场的基本属性、它的运动规律以及它和带电物质之间的相互作用,可见它与自然界中的四种基本相互作用(引力相互作用、电磁相互作用、弱相互作用、强相互作用)之一有直接联系。由于光的理论本质是电磁理论,所以电动力学还是光学理论的基础。电动力学作为物理学专业一门理论基础课,是理论物理(理论力学、热力学统计物理、电动力学、量子力学)的重要组成部分,包括物理学发展史上具有里程碑意义的两个物理理论,即麦克斯韦电磁理论和爱因斯坦狭义相对论。本课程最重要、最直接的先行课程是电磁学和数学物理方法,后继课程是量子力学、固体物理等。因此,电动力学要在电磁学的基础上,利用数学工具严格、定量地讲清宏观电磁相互作用的基本概念、基本理论和基本方法,使学生加深对电磁场性质和时空概念的理解,获得本课程领域内分析和处理一些基本问题的初步能力。同时为后继相关课程打下必要的基础。 以上将经典电磁场理论放在整个物理学中做了概括的论述,目的是为了使学生对它的地位和意义有一个恰当的认识,避免过份强调本学科的作用,造成“只见树木,不见森林”的错觉。 二、明确电动力学的知识结构和逻辑体系 在课程内容体系和结构的组成与安排上,一般采用两种方法:“从特殊到一般”的分析归纳法和“从一般到特殊”的演绎法,这两种方法是同样重要的。但是,多年来电动力学的教学大大忽视了分析归纳法,实际上这不符合物理学发展的规律。从认识论的角度来看,分析归纳法所指的“从特殊到一般”就是由实践到理论的过程,即将丰富的实践经验进行深入的分析,由表及里,去伪存真,总结概括出带有规律性的东西而上升为理论。演绎法所指的“从一般到特殊”就是由理论再到实践的过程,即理论要经过实践检验,并且经过实践检验而被证明是正确的理论再指导实践。由此可见,分析归纳法与演绎法的结合正是在某一个认识层次上实践―理论―实践的全过程,同时体现了理论与实践的紧密结合。因此,在电动力学课程内容体系和结构的安排上,可力求从实验事实出发,提出问题,分析问题,总结出规律和假设,再经实验验证升华为科学理论,在更为普遍的意义上解决实际问题。这样,使分析归纳法和演绎法有机地结合起来,更好地贯穿理论联系实际的重要原则。具体来说,对于麦克斯韦理论的讲述,是从静电场、静磁场和时变场的实验定律出发,分析在时变场情形下所出现的深刻矛盾,为解决矛盾提出位移电流这一科学假设,并总结出麦克斯韦方程组和洛伦兹力公式。之后的大量实验验证了它是在随时间变化的普遍情形下完全正确的电磁场理论。然后以此理论为基础,讨论在特殊情形和不同方面电磁场的性质和运动规律,如电磁波的传播,电磁波的辐射、散射和衍射,运动带电粒子的辐射等。对于狭义相对论的阐述,也同样注重理论原理与实验基础之间的紧密结合。 在国内外,有些电动力学书的逻辑体系与上述不同。其中一类是以归纳法和演绎法并重,先详细讨论静态场与似稳场,然后用归纳法得出麦克斯韦方程组,以后就用演绎法讨论电磁波的辐射、传播等问题;第二类是以静电场为起点,应用狭义相对论对库仑力进行洛伦兹变换,从中引出磁场的概念,导出磁场的场方程,继续推出麦克斯韦方程组,然后讨论辐射、传播等问题,基本逻辑体系仍属于演绎法范畴;此外,还有采用“逐步公理法”的逻辑体系,它以矢量场的亥姆霍兹定理为优秀,对每种具体电磁场,根据实验规律对该场的源和“涡源”提出假设(即公理),然后对每种场做深入的研究,这也是一种以演绎法为主的逻辑体系;还有人采用分析力学方法,引入电磁场的拉格朗日函数,导出电磁场的基本规律等。 三、注意学习电动力学的研究方法 1.归纳法。根据有限的、特殊条件下的实验结果和规律,归纳出在一般情况下的普遍规律。由于总是不完全归纳,所以其结论可能是对的(经得起新实验的检验),也可能是错的(经不起多数实验的检验),还可能是不完全的(被许多实验证实,但有个别例外),就需要进一步修正结论,从而得出新结论。用归纳法得出的结论实际上是“猜”出来的,谁猜的本领高,谁就能发现真理,这里面包含了科学家天才的想象力与严密的理论思维能力。麦克斯韦方程组的得出就是运用归纳法的光辉范例,它不是对静态场与似稳场的简单归纳,麦克斯韦在归纳过程中提出的两个假说(涡旋电场和位移电流)就体现了他的天才想象力和逻辑思维能力。洛伦兹力公式是洛伦兹运用归纳法将静电力和静磁力两个公式推广到适用一般电磁场的电磁力公式。这个公式经受住了无数次实验检验,没有一个反例,因此可以相信它反映了客观真理。 2.演绎法。全部理论建立在尽可能少的几个出发点之上,把它们作为基石,然后运用严密的逻辑推理和准确的数学推演,建立起完整的理论体系,演绎过程可将我们的认识从基本出发点引到很遥远的地方,从而大大开拓了眼界,同时也使得基本理论在许多具体的工程技术领域内得致实际的应用。电动力学是如此(这一点在“2”中已做论述),狭义相对论更是如此,它的全部理论只建立在两条基本假设上(相对性原理和光速不变原理),通过缜密的逻辑推理和运用四维时空张量的推演,得出了震惊世界的相对论时空理论、相对论力学和相对论电动力学等。演绎法中,出发点的提出是有创造性的,只要这个前提是对的,那么通过严密的逻辑推理和准确的数学推演所得的结论就是正确的。 电动力学论文:光和真空光的波动―粒子性质与通过电磁理论和量子电动力学连结的真空 由于光在人类生活中起的作用太重要了,人们对于光的研究从公元前就已经开始了。那时就已经认识到光沿直线传播。公元前三世纪,希腊数学家欧几里得就出版了“光学”一书。迄今两千多年过去了,我们完全地理解了光的行为以及它所遵从的物理规律。但是,光的本质究竟是什么,它与真空的关系是什么,仍然没有完全理解。 由麦克斯韦方程组组成的经典电动力学明确地告诉我们:光是电磁波,并引入了真空的概念。而量子电动力学则认为光由光子组成,而不关心光子的频率带来的概念性问题。量子电动力学预言了一个非常复杂的所谓的真空,真空具有无穷大的零点能,不断地发生着各种虚过程,而且目前已经发现了它们都具有可以观测的效应。不可回避的光同时具有波动和粒子的属性,以及光与真空的相互作用,仍然没有满意的解决。 这些论题都是从以前发表的许多成果中抽取出来的,这些成果都列入了参考文献中。关于光子矢量势及它与真空的关系的看法和陈述都是作者自己的观点,提出一些问题,给出一些提示和答案,并期望进一步的理论与实验研究,以便改进我们关于光与真空实质的认识和理解。 全书内容分成7章:1. 引言;2. 历史的回顾和实验证据;3. 电磁波理论的基本原理; 4. 从电磁波到量子电动力学; 5. 理论、实验和问题; 6. 电磁场量子化过程与光子的矢量势的分析、非局域光子的波动与粒子表示和量子真空。7.结语。 本书作为一部专著,根据论述需要精选内容,深入浅出地清晰阐述,推导尽可能详尽。每一章末都给出了参考文献便于查阅。本书特别适合于对量子力学和量子电动力学感兴趣的高年级研究生和研究人员以及教师选做专题参考书。 丁亦兵,教授 (中国科学院大学) 电动力学论文:Mathematica在电动力学课程教学中的应用探索 摘要:电动力学是电子、信息、通信、物理等学科的主干课程之一,有较高的抽象性,要求学生具备较好的数学基础,一直是专业课程教学中的难点。Mathematica工具软件很好地结合了数值和符号计算,配以直观的图形展示和动态交互,对很多概念可以具体呈现,在教学中能起到很大作用。本文以电动力学教学中的部分难点为例,探讨了Mathematica引入电动力学课程教学的应用,对两者有机结合、建立课堂教学辅助软件进行了探讨。 关键字:Mathematica,电动力学,课堂教学 引言 大学高等教育通常致力于培养专业基础扎实、有较强实践能力和拓展潜力、富有创新精神的本科人才。其中理工科专业要求学生系统掌握专业基础理论、基本实验方法和实验技能,并具有较强的数理基础。近些年,大学普遍扩招,生源质量下降,学生数学基础不够扎实,冷门专业情况更是严重,不少学生往往因专业知识在数学计算上的复杂及相关定理、概念和过程的抽象等问题而失去学习兴趣,导致专业课的教学学习效果不够理想[1]。 基于此种情况,已有不少人把多种现代教育技术如Matlab,Java,Mathematica等软件应用到课堂教学中[2, 3],使现代教学技术在提高学生学习积极性、优化课堂、提高课堂效率等方面取得了较好的效果。Mathematica是一款科学计算软件,其很好地结合了数值和符号计算引擎、图形系统、编程语言、文本系统以及与其他应用程序的高级连接。很多功能在相应领域内处于世界领先地位,截至2014年,它也是世界上使用最广泛的数学软件之一。普遍认为Mathematica的标志着现代科技计算的开始,它是世界上通用计算系统中最强大的系统。自从1988以来,它已经对科技和其它领域中计算机的运用方式产生了深刻的影响,并且在国外教学工作中获得了广泛的应用[4, 5]。从google学术搜索中搜寻Mathematica以及Education相关条目,有近十万条结果。从高中到研究生数以百计的课程都使用它,并有多本关于Mathematica教学的图书出版,涵盖多门专业教学。Karim等人[5]甚至还基于Mathematica软件开展了远程教学。而在我国,虽然教师们对于现代化手段在教学中的应用很早就开展了研究,但是一直以来不够重视,特别是Mathematica软件在教学中的应用和国际相比还处于初级阶段,还没有得到广大教师的足够重视和普遍使用。这从google学术检索中就可以发现,Mathematica与教育教学等词条相关的论文搜索结果还不到三千条。相关教学论文数量不够充分,内容也还很不深入,相关中文教材也处于缺乏状态,并且这些研究主要分布于大学物理以及数学分析这两门课程[2, 3, 6]。对于Mathematica在数学、物理等数学要求较高的大学各专业优秀课程教学中的应用工作还未深入展开,而物理、电子等系优秀专业课之一――电动力学的数学要求远比普通理工科专业高,因此本文欲在前人研究基础上,以电动力学部分难点的教学工作为例,展开深入分析,力图引入Mathematica软件辅助教学,消除学生对复杂公式的畏惧感,直观准确地展示各种物理图像,使学生对课程的学习有良好的进步。 1 应用 本文研究目的旨在借助于Mathematica软件将学生从复杂的微分偏微分方程求解过程中解放出来,并用图形和动画直观展示各重点难点,从而降低专业课的学习难度,达到提高学生学习积极性的目的,并使学生初步掌握Mathematica软件的使用方法,提高他们学习新事物的能力。 电动力学是很多大学专业的主干课程之一,如电子、信息、通信、物理等学科。其主要内容就是麦克斯韦方程组的来由及其在各种条件下的具体应用。此处我们以电磁波的传播为例,在瞬变条件下,变化的电场和磁场相互激发,形成在空间传播的电磁波。单从字面描述以及电磁波方程来看,较为抽象。学生一般很难理解。通过使用Mathematica软件,我们可以将平面电磁波的传播用图1展示。从图1中可以清晰看出平面电磁波的几个特性:1,平面电磁波是横波;2,电场、磁场以及传播方向三者是相互垂直的; 3,电场和磁场是同位相。 图1是静态图,实际上,通过图2所示代码,我们还可以用动画演示电磁波的传播。图2所示代码形式简洁,接近于自然语言,这样就让学生无须较高的编程水平即可自行编写代码,容易激发学生的学习兴趣。图2所示代码会生成一个简洁易懂,易于操作的界面,可以通过设置循环播放,良好地演示电磁波的传播。通过“waves”按钮可以分别演示不同个数的完整波形,时间轴可以快速或慢速地动态演示电磁波的传播过程,让学生轻松理解电磁波传播过程。 除了平面电磁波在无界空间的自由传播之外,平面电磁波在两块平行板之间的传播,也能形象清晰地展示。如图3所示,此图可以大大加深学生对电磁波传播的理解,便于学生学习。诚然此图所需代码较为复杂,不仅需要相关的电动力学知识,还必须熟悉偏微分方程求解理论,此外对Mathematica软件的使用熟悉程度也有要求,学生难以短时间内独立完成,需要进一步的训练之后才可能完成。类似的内容可以让学生课后完成,作为考核内容,这样可避免学生过于依赖该软件而忽视数学学习的重要性。 总而言之,Mathematica应用到电动力学课堂教学中,能让教学过程更生动,促进学生学习理解。 2 结束语 当前我国大学专业课教学中,数学分析软件的使用还处于初级阶段。学生薄弱的数学基础与专业课较高的数学分析要求是专业课学习过程中的主要矛盾之一。本文着力于解决由学生薄弱的数学基础和抽象的专业概念所引起的在专业课学习上的困难,让学生开阔视野,并培养学生利用工具软件的能力。从而可以将专业课学习过程中的复杂数学问题交给专业数学分析软件Mathematica来进行,学生只需掌握基本的数学原理,了解相关知识,配合Mathematica丰富的互动界面和图形显示功能,就能达到更充分更深层次理解内容本质的目的。本文重点有机衔接了电动力学与Mathematica软件,通过Mathematica在电动力学课堂教学上的使用,达到加强基本理论教学,扩展学生视野,引导学生关注科学前沿的发展动态,并训练学生的创新精神,而且避免了学生过于依赖该软件而置数学于不顾的情况。对于电动力学课程中的主要内容,可以建立一系列相应的数值程序,进而开发一个系统性的课件,辅助课堂教学,这将会对教学效果产生很大的促进作用。 电动力学论文:电动力学中的理论物理思想及教学策略 摘 要:该文讨论了电动力学中的理论物理思想及教学策略,理论物理思想包括理论的基本原理、数学方程的建立以及理论物理解决问题的方法,提出了相应的教学策略以及学习策略。 关键词:电动力学 理论物理思想 教学策略 电动力学是研究电磁现象的经典的动力学理论,它主要研究电磁场的基本属性、运动规律以及电磁场和带电物质的相互作用,电动力学是在电磁学基础上更系统、更深入、更严密地进行阐述的理论体系,是高校物理专业及相关专业学生在普通物理基础上,继续深入学习的一门理论基础课。这门学科与电磁学、近代物理学、量子力学等相关学科联系紧密,因此在物理学课程中具有重要的地位和作用。 电动力学课程的内容包括麦克斯韦电磁理论和爱因斯坦狭义相对论,这是在物理学发展史上起里程碑作用的两个物理理论。普通物理的逻辑体系是:实验定律理论,是一种以归纳法为主线的知识结构。电动力学是它属于理论物理范畴,是以麦克斯韦方程组,分别讨论在静态、时变态、含源区、自由空间等不同条件下电磁场的空间分布和运动变化规律,其逻辑体系以演绎法为主。因此电动力学淋漓尽致地体现了的理论物理思想,在本课程的教学过程中如何将理论物理思想展现并传授与学生,如何通过本课程培养学生的能力仍然是一个值得讨论的问题。 1 电动力学中的理论物理思想 电动力学同理论力学、热力学统计物理、量子力学则属于理论物理范畴,它们的科学体系是建立在基本原理之上,例如理论力学中的虚功原理、最小作用量原理、量子力学中的态叠加原理、热力学统计物理中的等概率原理、电动力学中的麦克斯韦的两个假定。理论物理由这些基本原理得出数学推论形式,也就是建立数学方程方程,方程的建立描述着着物理规律。例如理论力学中有哈密顿正则方程、量子力学中有薛定谔方程。电动力学中有麦克斯韦方程组、热力学统计物理中有刘维尔方程等。因此,理论物理科学体系建立需要我们提出合理的假定,这些合理的假定正是物理学的创新之处,所以学习前人的提出假定的过程就是学习如何创新的过程!这一点在培养学生创新能力方面必须在教学中体想出来。尤其是在电动动力学当中,科学家在建立理论过程中充分体现着创新的过程。例如法拉第发现电磁感应规律后,人们很容易解释为什么会产生动生电动势,这可以用电荷受到洛伦磁力来解释,是洛伦磁力提供了非静电力。但是无法解释感生电动势,因为不明白是哪一种力提供着非静电力,为了解决这个问题,麦克斯韦提出了合理的假定,他认为电荷既然可以运动,肯定受到了电场或磁场力的作用,磁场力显然不可能,所以只有电场力,但是电场力必须是非静电力,因此麦克斯韦提出存在涡旋电场,这个涡旋电场来自于变化的磁场,显然体现着一种创新思想。还有狭义相对论的建立,正是人们无法解释麦克斯韦方程组与伽利略变化的矛盾的时候,还有对“以太”的是否存在犯愁的时候,爱因斯坦提出了狭义相对论的两个基本原理。 2 教学策略 认识到了电动力学课程的特征,体会到了电动力学中的理论物理思想,在教学中应该注重通过物理学中的创新,激发学生的学习兴趣,培养学生创新能力以及解决问题的能力。因此在教学中应当注意介绍现代生产技术实践对电动力学学科的新进展。电动力学课程教学应当密切联系最新科学技术和实际应用,对于电磁波辐射的危害,科学家们已经做出了大量的实验以及临床证明,证实电磁波辐射对人体健康有危害已经是不可否认的事实。 利用自己的科研经验和成果,启发学生走向科研轨道。坚持进行教学研究和学术研究,使教学与科研紧密结合,注意从教学实践中提出研究课题让学生作为毕业论文完成。注重带有普遍性的方法与近似方法相结合。比如电动力学种求解静电场的普遍方法有拉普拉斯方程法,但是也有近似方法比如电多极矩展开。近似方法的实质就是通过抓住主要矛盾、忽略次要因素来解决问题的方法,它大量运用于物理学的教学和科研之中。该方法可解决一些还不能严格求解的问题,可使一些能求解的问题得到简化,还往往能很好地适应生产实践的需要。 在教学中还应注意在一些具体的数学推导中也紧密结合物理分析,这样不仅能理解每一个数学结果的物理含义,而且有时还能简化数学运算。从物理上获得数学方程的解,如计算点电荷格林函数,就可以从物理上获得。实践结果表明,这样做不仅对问题本身的认识更加全面、深刻,而且学生更易于接受和理解。 3 结语 电动力学是电磁学的后继课程,它属于理论物理范畴,它由麦克斯韦方程组讨论不同条件下电磁场的空间分布和运动变化规律,其辑体系以演绎法为主。所以广大学习物理课程的大学生更应该充分重视电动力学、学好电动力学,这不对学生牢固掌握和灵活运用归纳法、演绎法、类比法、理想模型和数学语言来求解各种问题,更要树立严谨的学习态度和刻苦的学习作风、培养浓厚的学习兴趣起到良好的的促进作用,而且为以后解决各类问题培养能力。当学生一旦掌握了这门课程并学会了研究它的科学方法时,便会产生“昨夜西风凋碧树,独上高楼,望尽天涯路”的那种发自内心的喜悦。 电动力学课程的科学体系以及教学策略,不仅适应于电动力学课程的教学,还很容易推广到其他理论物理课程上,让学生在大学四年不仅获得知识,而且更重要的是让学生毕业后具有获取知识的能力、解决问题的能力、具有创造性的思维。
高分子材料论文:高分子材料课程设计论文 1课程设计题目选取 课程设计选题合理与否,是课程设计改革的重要环节,应注意课题的综合性、实用性及层次性[2]。课程设计环节中增加高分子材料改性及工艺探索的题目,目的在于加深学生对《高分子材料成型工艺学》、《聚合物改性原理及方法》等课程知识的理解,提高其理论联系实际和灵活运用知识的能力。选择合适的题目是保证学生如期完成课程设计的前提。课程设计环节比毕业设计环节少了8周的时间,因此课程设计选题应“小而精”,难度应明显低于毕业设计题目。如果选取完全没有研究基础的题目,学生前期探索实验会花费过多时间,不利于课程设计顺利进行。基于以上原因,笔者在以往毕业设计题目的基础上进行延伸,确定了课程设计相关题目。例如往届学生曾做过“硅橡胶阻燃材料性能研究”的毕业设计题目,对于硅橡胶混炼及硫化工艺积累了一定的经验数据,而硅橡胶材料力学性能指标还不尽如人意,需要进一步改进配方。可以在此基础上引出两个课程设计题目:“硫化剂种类及用量对硅橡胶力学性能的影响”、“结构控制剂种类及用量对硅橡胶力学性能的影响”,并由两个学生分别完成以上题目。由于有前人的基础,学生在实验过程中没有重复探索相关工艺参数,实验直接切入主题,有利于在有限的时间内完成课程设计。此外,两个课程设计题目虽各有侧重,但主要原材料及成型工艺都相同,故两个学生可共用一套成型设备,大大节约了设备预热及清理时间。将学生按相近课题组成互助小组,不仅提供设备利用率,也有利于学生在遇到问题时,相互讨论,相互促进[3]。 2实验人员安排 我校高分子材料与工程专业每年招生人数为80人,现有实验室设备条件尚不能满足全部学生同时开展材料改性及工艺制定等实践内容。因此,合理安排课程设计环节进行材料改性及工艺制定的学生人数,是如期完成课程设计内容的必要保证。按照人才培养方案,本专业课程设计安排在第四学年秋季学期最后4周进行。此时学生的专业课程学习已全部完成,学生对于自己的就业去向也有了初步规划。可以结合学生的就业意愿安排其课程设计内容。对于工作单位已落实为材料改性或工艺制定岗位的学生,可以优先安排其在课程设计阶段进入相关实训。课程设计内容与学生就业去向密切相关,可以充分调动学生的积极性,自觉参与到课程设计的各个环节。在本次课程设计改革试点工作中,2010级的一名学生对于硅橡胶材料配方优化题目很感兴趣,原因就是与其签约的工作单位主要生产硅橡胶产品。这名学生在课程设计过程中充分发挥了自身的主观能动性,在实验遇到问题时没有被动等待老师的安排,而是通过多方搜集资料以及与指导老师讨论等方式积极寻求解决问题的有效途径。学生在课程设计阶段提前进入“工作状态”,为学生更快适应企业工作节奏和工作思路奠定基础。 3实验进度安排及突发情况处理 课程设计时间只有4周。以往安排学生绘制模具图,主要按照塑件图测绘(1周)—装配图设计及绘制(1周)—零件图绘制(1周)—说明书撰写(1周)来安排进度。模具设计过程中基本不存在突发因素,设计进度容易控制。如果在课程设计中安排材料改性、工艺制定等内容,则可能由于设备故障、原料采购不及时或其他因素影响实验进度,导致学生无法如期完成课程设计[1]。为此,课程设计指导老师需要提前做好原料及实验设备的准备、检查工作,并做好应急预案。在本次课程设计改革试点工作中,主要按照资料收集、初定方案、实验验证的思路安排进度。仍然以“硫化剂种类及用量对硅橡胶力学性能的影响”、“结构控制剂种类及用量对硅橡胶力学性能的影响”这两个课程设计题目为例:第1周进行资料搜集并初定两种硫化剂(结构控制剂)备选;第2周进行硫化剂(结构控制剂)种类筛选;第3周确定硫化剂(结构控制剂)最佳用量;第4周整理数据并撰写课程设计小论文。从实际试点情况看来,学生在4周内完成材料改性等课程设计题目是基本可行的,所有参与试点的学生都如期完成了课程设计预定内容并按期提交了课程设计论文。在试点工作中,也出现了一些突发情况。在实验进行过程中,个别设备由于电压不稳导致温控器失灵而维修了几天,耽误了进度。但由于参与试点的学生们积极性及配合度较高,在第1周仅花了3天时间就提前完成了资料收集及方案的初步确定。在设备维修期间,指导教师及时调整进度,让学生把实验数据整理及课程论文框架构建与实验同步进行,大大缩短了后期课程论文撰写的时间,从而保证了课程设计如期完成。 4结语 通过课程设计阶段小范围试点发现,在4周课程设计时间内,可以安排学生进行配方设计及工艺制定的相关实训。不仅提高了现有设备的利用率,也使学生动手能力得到多方面训练,从而使学生所学知识更贴近企业需求。当然,为了保证学生如期完成课程设计,指导教师应在课题选取、实验进度安排等方面多下功夫,也应针对实验过程中可能出现的突发情况做好应急预案,不断总结经验,使课程设计方案尽可能完善。 作者:盛旭敏 单位:重庆理工大学材料科学与工程学院 高分子材料论文:高分子材料教学设计论文 1创新型实验开展的必要性 相比基础性实验,综合性实验的设置和开展对学生各课程知识的掌握在广度和深度上均提出了更高的要求,也使得学生能够对分属于不同课程的知识点有了更为深刻的认识,通过相互对比和验证,有助于专业知识的全面掌握和理解。但鉴于实验开展仍然遵循着学生预习、老师讲授、动手操作和课后交报告的传统模式,虽然实验指导老师针对实验可以设计不同的反应历程,让不同组别的学生获得迥异的结果,但实验结论的预测性很强,一些意外问题的发生也会在指导教师的预料之中,并能够很快给出解决方案,这对于提升学生在主观能动学习能力的效果很有限。另外,本校开展的高分子实验在内容的编排上还存在着较为明显的学科界限,还不能完全融合高分子化学、高分子物理和高分子成型加工原理等课程内容,因此很有必要开设具有创新型的研究型实验课程。 2实验开设时机 鉴于此类研究型实验的开展往往需要比较集中的时间段,高分子材料教研室经过多次商讨,确定本实验的学时为90学时(30学时/周×3周),将主要的实验内容集中安排在大四上学期的最后3周内完成。此时,一方面学生已经完成了所有的理论课程的学生和各类基础实验的训练,为本实验的开展提供了先决条件;其次,在此时间段有关校园招聘活动也会告一段落,可以保证学生有充足的时间和精力完成实验;最后,此次实验训练也为下一学期的本科毕业设计(论文)的开展提供一次很好的预演,能够有效地消除学生对毕业设计(论文)的恐慌和迷茫心理。 3实验内容的优化设计 根据王新平等[5]的观点,创新型实验必须具有实验结果的不确定性和探索性、实验设计程序的自主性和开放性,以及实验过程的可行性和可操纵性等基本要素。因而,这类实验的开展必然会对实验人员(包括指导教师和学生)、实验设备和场地等诸多方面提出了更高的要求。根据创新型实验内容设计的三点原则[5]和本专业教研室老师的科研情况,教研室选择了“导电性高分子材料的制备及其应用”这一开放性较强的实验。通过多方面的探讨和论证,我们尝试设计了一个以掺杂聚苯胺的合成、表征及其在聚丙烯和天然橡胶中的应用为主线的研究型实验,实验内容和所需基本学时安排如下:(1)学生分组,布置实验的侧重方向(一组在聚丙烯中的应用,一组在天然橡胶中的应用),安排相关文献的查询和阅读,着重了解聚苯胺的特性和合成方法、聚丙烯和天然橡胶的性能和加工特性,温习有关设备的操作和安全注意事项(30学时)。(2)根据分组,学生在老师的指导下搭建实验平台,进行聚苯胺的合成,分别采用化学氧化聚合法、乳液聚合法、微乳液聚合法和分散聚合法制得一系列经过质子酸或无机酸掺杂改性的聚苯胺,经纯化干燥后备用(30学时)。(3)用高阻计测试聚苯胺的电导率,X射线衍射仪分析产物的物相结构,红外光谱仪观察产物的特征官能团,并在扫描电镜下观察产物的形貌,并比较不同组别间所得聚苯胺产物在性能和外观上的异同(15学时)。(4)各组同学在制得合格的聚苯胺后,按照预先选定的应用方向,分别添加到聚丙烯或天然橡胶中制成复合材料,前者在双螺杆挤出机中完成,而后者在双辊开炼机和平板硫化机中进行。(30学时)(5)将所得复合材料进行标准化制样后,分别用万能电子试验机、摆锤式冲击试验机和高阻计测试复合材料的拉伸性能、冲击韧性和电导率随聚苯胺添加量的变化规律并记录实验结果;用扫描电镜观察复合材料断面形貌,分析破坏机制,探讨材料的强度和韧性变化的机理(15学时)。(6)学生整理数据,并撰写实验报告。报告要求参照本科毕业论文的模板和格式,须包括引言、实验过程、结果与讨论、结论和参考文献等主要部分(30学时)。其中(1)和(6)要求学生利用课余时间分别在实验周的前后一周内完成,不占用实验周的学时。在整个实验进行过程中,如因出现不可抗力或意外情况导致实验进展不顺利,可通过与实验室管理人员协调,利用周六和周日的时间进行弥补,以保证学生有充足的实验时间。通过这样一个研究型实验的设计和内容编排,不但使学生能够将有机化学、高分子化学、高分子物理、高分子成型加工原理以及材料现代测试与分析技术等课程中散落的知识点进行有机串联,还同时大大增强了学生对高分子材料从合成、表征到应用的整体认识。在实验过程出现不可预料的事件时,合理引导学生利用理论知识去分析问题,并通过查找资料寻求解决问题的方法,有力地推动了学生在理论知识和实践应用方面的融会贯通,极大地提升了学生的主观能动性。 4实验课程考核 本实验的考核采用过程管理与结果考核并用的模式,主要分为以下三个方面:(1)学生实验表现(40%):指导教师观察并记录学生在实验中的表现,包括实验时间的合理安排、实验平台的正确搭建、实验药品和原料的适用和管理,以及意外情况出现时的应对措施等。(2)综合报告撰写(40%):要求每一位学生在查阅文献和整理资料的基础上,独立分析实验数据,撰写一份符合要求的实验报告。(3)教师提问考核(20%):学生提交报告期间,指导教师根据报告内容进行提问,考核学生对实验过程和报告内容的熟悉程度,同时考察学生在实验数据分析中的逻辑性,进一步深化学生对实验的印象,达到初步培养学生科研素质的目的。 5结语与展望 创新型实验的设置和开展是实验教学改革中最为重要的环节之一。虽然我校高分子材料与工程专业在此方面进行了初步尝试,但还有大量的工作亟待深入和细化研究。如,如何协同学生人数多与实验设备少之间的矛盾;在非工作日如何加强学生在实验室的安全管理工作;如何通过学生的反馈来改善和优化实验内容,进而提高实验教学的质量;如有可能的话,应在现有工作的基础上,设计更多具有前瞻性、创新型且兼具可行性的创新型实验,以达到满足学生自主选题的需要等。这些问题对实验室管理人员和指导教师提出了更高的要求,需要在后续的工作中进一步加以完善和提高。 作者:杨继年丁国新陶玉仑王周锋高俊珊王艳丽王媛媛滕艳华张宏艳王静单位:安徽理工大学材料科学与工程学院 高分子材料论文:高分子材料成型加工研究论文 一、高分子材料成型加工技术发展概况 近50年来,高分子合成工业取得了很大的进展。例如,造粒用挤出机的结构有了很大的改进,产量有了极大的提高。20世纪60年代主要采用单螺杆挤出机造粒,产量约为3t/h;70年代至80年代中期,采用连续混炼机+单螺杆挤出机造粒,产量约为10t/h;80年代中期以来。采用双螺杆挤出机+齿轮泵造粒,产量可以达到40-45t/h,今后的发展方向是产量可高达60t/h。在l950年,全世界塑料的年产量为200万t。20世纪90年代。塑料产量的年均增长率为5.8%,2000年增加至1.8亿t至2010年,全世界塑料产量将达3亿t,此外。合成工业的新近避震使得易于璃确控制树脂的分子结构,加速采用大规模进行低成本的生产。随着汽车工业的发展,节能、高速、美观、环保、乘坐舒适及安全可靠等要求对汽车越来越重要.汽车规模的不断扩大和性能的提高带动了零部件及相关材料工业的发展。为降低整车成本及其自身增加汽车的有效载荷,提高塑料类材料在汽车中的使用量便成为关键。 据悉,目前汽车上100kg的塑料件可取代原先需要100-300kg的传统汽车材料(如钢铁等)。因此,汽车中越来越多的金属件由塑料件代替。此外,汽车中约90%的零部件均需依靠模具成型,例如制造一款普通轿车就需要制造1200多套模具,在美国、日本等汽车制造业发达的国家,模具产业超过50%的产品是汽车用模具。目前,高分子材料加工的主要目标是高生产率、高性能、低成本和快捷交货。制品方面向小尺寸、薄壁、轻质方向发展;成型加工方面,从大规模向较短研发周期的多品种转变,并向低能耗、全回收、零排放等方向发展。 二、现今高分子材料成型加工技术的创新研究 (一)聚合物动态反应加工技术及设备 聚合物反应加工技术是以现双螺杆挤出机为基础发展起来的。国外的Berstart公司已开发出作为连续反应和混炼的十螺杆挤出机,可以解决其它挤出机(包括双螺杆和四螺杆挤出机)作为反应器所存在的问题。国内反应成型加工技术的研究开发还处于起步阶段,但我国的经济发展强烈要求聚合物反应成型加工技术要有大的发展。指交换法聚碳酸酯(PC)连续化生产和尼龙生产中的比较关键的技术是缩聚反应器的反应挤出设备,我国每年还有数以千万吨计的改性聚合物及其合金材料的生产。关键技术也是反应挤出技术及设备。 目前国内外使用的反应加工设备从原理上看都是传统混合、混炼设备的改造产品,都存在传热、传质过程、混炼过程、化学反应过程难以控制、反应产物分子量及其分布不可控等问题.另外设备投资费用大、能耗高、噪音大、密封困难等也都是传统反应加工设备的缺陷。聚合物动态反应加工技术及设备与传统技术无论是在反应加工原理还是设备的结构上都完全不同,该技术是将电磁场引起的机械振动场引入聚合物反应挤出全过程,达到控制化学反应过程、反应生成物的凝聚态结构和反应制品的物理化学性能的目的。该技术首先从理论上突破了控制聚合物单体或预聚物混合混炼过程及停留时间分布不可控制的难点,解决了振动力场作用下聚合物反应加工过程中的质量、动量及能量传递及平衡问题,同时从技术上解决了设备结构集成化问题。新设备具有体积重量小、能耗低、噪音低、制品性能可控、适应性好、可靠性高等优点,这些优点是传统技术与设备无法比拟或是根本没有的。该项新技术使我国聚合物反应加工技术直接切人世界技术前沿,并在该领域处于技术领先地位。 (二)以动态反应加工设备为基础的新材料制备新技术 1.信息存储光盘盘基直接合成反应成型技术。此技术克服传统方式的中间环节多、周期长、能耗大、储运过程易受污染、成型前处理复杂等问题,将光盘级PC树脂生产、中间储运和光盘盘基成型三个过程整合为一体,结合动态连续反应成型技术,研究酯交换连续化生产技术,研制开发精密光盘注射成型装备,达到节能降耗、有效控制产品质量的目的。 2.聚合物/无机物复合材料物理场强化制备新技术。此技术在强振动剪切力场作用下对无机粒子表面特性及其功能设计(粒子设计),在设计好的连续加工环境和不加或少加其它化学改性剂的情况下,利用聚合物使无机粒子进行原位表面改性、原位包覆、强制分散,实现连续化制备聚合物/无机物复合材料。 3.热塑性弹性体动态全硫化制备技术。此技术将振动力场引入混炼挤出全过程,控制硫化反直进程,实现混炼过程中橡胶相动态全硫化.解决共混加工过程共混物相态反转问题。研制开发出拥有自主知识产权的热塑性弹性体动态硫化技术与设备,提高我国TPV技术水平。 三、高分子材料成型加工技术的发展趋势 近年来,各个新型成型装备国家工程研究中心在出色完成了部级火炬计划预备项目和国家“八五”、“九五”重点科技计划(攻关)等项目同时,非常注重科技成果转化与产业化,完成产业化工程配套项目20多项,创办了广州华新科机械有限公司和北京华新科塑料机械有限公司,使其有自主知识产权的新技术与装备在国内外推广应用。塑料电磁动态塑化挤出设备已形成了7个规格系列,近两年在国内20多个省、市、自治区推广应用近800台(套)。销售额超过1.5亿元,还有部分新设备销往荷兰、泰国、孟加拉等国家.产生了良好的经济效益和社会效益。例如PE电磁动态发泡片材生产线2000年和2001年仅在广东即为国家节约外汇近1600万美元,每条生产线一年可为制品厂节约21万k的电费。塑料电磁动态注塑机已开发完善5个规格系列,投入批量生产并推向市场;塑料电磁动态混炼挤出机的中试及产业化工作已完成,目前开发完善的4个规格正在生产试用。并逐步推向市场目前新设备的市场需求情况很好,聚合物新型成型装备国家工程研究中心正在对广州华新科机械有限公司进行重组。将技术与资本结合,引入新的管理、市场等机制,争取在两三年内实现新设备年销售额超亿。我国已加入WTO,各个行业都将面临严峻挑战。 综上所述,我国必须走具有中国特色的发展高分子材料成型加工技技术与装备的道路,打破国外的技术封锁,实现由跟踪向跨越的转变;把握技术前沿,培育自主知识产权。促进科学研究与产业界的结合,加快成果转化为生产力的进程,加快我国高分子材料成型加工高新技术及其产业的发展是必由之路。 高分子材料论文:高分子材料抗静电研究论文 一、高分子抗静电的方法概述 高聚物表面聚集的电荷量取决于高聚物本身对电荷泄放的性质,其主要泄放方式为表面传导、本体传导以及向周围的空气中辐射,三者中以表面传导为主要途径。因为表面电导率一般大于体积电导率,所以高聚物表面的静电主要受组成它的高聚物表面电导所支配。因此,通过提高高聚物表面电导率或体积电导率使高聚物材料迅速放电可防止静电的积聚。抗静电剂是一类添加在树脂或涂布于高分子材料表面以防止或消除静电产生的化学添加剂,添加抗静电剂是提高高分子材料表面电导率的有效方法,而提高高聚物体积电导率可采用添加导电填料、添加抗静电剂或与其它导电分子共混技术等。 (一)添加导电填料 这类方法通常是将各种无机导电填料掺入高分子材料基体中,目前此方法中所使用的无机导电填料主要是碳系填料、金属类填料等。 (二)与结构型导电高分子材料共混 导电高分子材料中的高分子(或聚合物)是由许多小的重复出现的结构单元组成,当在材料两端加上一定的电压,材料中就有电流通过,即具有导体的性质,凡同时具备上述两项性质的材料称为导电高分子材料。与金属导体不同,它属于分子导电物质。根本上讲,此类导电高分子材料本身就可以作为抗静电材料,但由于这类高分子一般分子刚性大、不溶不熔、成型困难、易氧化和稳定性差,无法直接单独应用,一般作导电填料与其它高分子基体进行共混,制成抗静电复合型材料,这类抗静电高分子复合材料具有较好的相容性,效果更好更持久。 (三)添加抗静电剂法 1.有机小分子抗静电剂。有机小分子抗静电剂是一类具有表面活性剂特征结构的有机物质,其结构通式为RYx,其中R为亲油基团,x为亲水基团,Y为连接基。分子中非极性部分的亲油基和极性部分的亲水基之间应具有适当的平衡与高分子材料要有一定的相容性,C12以上的烷基是典型的亲油基团,羟基、羧基、磺酸基和醚键是典型的亲水基团,此类有机小分子抗静电剂可分为阳离子型、阴离子型、非离子型和两性离子型4大类:阳离子型抗静电剂;阴离子型抗静电剂;非离子型抗静电剂;两性型抗静电剂。 导电机理无论是外涂型还是内加型,高分子材料用抗静电剂的作用机理主要有以下4种:(1)抗静电剂的亲水基增加制品表面的吸湿性,吸收空气中的水分子,形成“海一岛”型水性的导电膜。(2)离子型抗静电剂增加制品表面的离子浓度,从而增加导电性。(3)介电常数大的抗静电剂可增加摩擦体间隙的介电性。(4)增加制品的表面平滑性,降低其表面的摩擦系数。概括起来一是降低制品的表面电阻,增加导电性和加快静电电荷的漏泄;二是减少摩擦电荷的产生。 2.永久性抗静电剂。永久性抗静电剂是一类相对分子质量大的亲水性高聚物,它们与基体树脂有较好的相容性,因而效果稳定、持久、性能较好。它们在基体高分子中的分散程度和分散状态对基体树脂抗静电性能有显著影响。亲水性聚合物在特殊相溶剂存在下,经较低的剪切力拉伸作用后,在基体高分子表面呈微细的筋状,即层状分散结构,而中心部分呈球状分布,这种“蕊壳”结构中的亲水性聚合物的层状分散状态能有效地降低共混物表面电阻,并且具有永久性抗静电性能。 二、我国高分子材料抗静电技术的发展状况 我国许多科研机构和生产企业已陆续开发出一些品种,以非离子表面活性剂为主,目前常用的品种有,大连轻工研究院开发的硬化棉籽单甘醇、ABPS(烷基苯氧基丙烷磺酸钠)、DPE(烷基二苯醚磺酸钾);上海助剂厂开发目前多家企业生产的抗静电剂SN(十八烷基羟乙基二甲胺硝酸盐),另外该厂生产的抗静电剂PM(硫酸二甲酯与乙醇胺的络合物)、抗静电剂P(磷酸酯与乙醇胺的缩合物);北京化工研究院开发的ASA一10(三组份或二组份硬脂酸单甘酯复合物)、ASA一150(阳离子与非离子表面活性剂复合物),近年来又开发出ASH系列、ASP系列和AB系列产品,其中ASA系列抗静电剂由多元醇脂肪酸酯、聚氧乙烯化合物等非离子表面活性剂;ASB系列产品则为有机硼表面活性剂(主要是硼酸双多元醇脂与环氧乙烷加成物的脂肪酸酯)与其他非离子表面活性剂复合而成;ASH和ASP系列主要是阳离子与非离子表面活性复合而成,杭州化工研究所开发的HZ一1(羟乙基脂肪胺与一些配合剂复合物)、CH(烷基醇酰胺);天津合成材料工业研究所开发的IC一消静电剂(咪唑一氯化钙络合物);上海合成洗涤剂三厂开发生产的SH系列塑料抗静电剂,已经形成系列产品,在使用效果和性能上处于国内领先地位,部分品种可以替代进口,如SH一102(季铵盐型两性表面活性剂)、SH一103、104、105等(均为季铵盐型阳离子表面活性剂),SH抗静电剂属于结构较新的带多羟基阳离子表面活性剂;济南化工研究所JH一非离子型抗静电剂。(聚氧乙烯烷基胺复合物)等; 河南大学开发的KF系列等,如KF一100(非离子多羟基长碳链型抗静电剂)、KF-101(醚结构、多羟基阳离子永久型抗静电剂),另外还有聚氧乙烯醚类抗静电剂,聚乙烯、聚丙烯和聚氯乙烯专用抗静电剂202、203、204等;抗静电剂TM系列产品也是目前国内常用的,主要用于合成纤维领域。 从抗静电剂发展来看,高分子型的永久抗静电剂是最为看好的产品,尤其是在精密的电子电气领域,目前国内多家科研机构利用聚合物合金化技术开发出高分子量永久型抗静电剂方面已取得明显进展。 三、结语 我国合成材料抗静电剂行业发展前景较好,针对目前国内研究、生产、应用与需求现状,对我国合成材料抗静电剂工业发展提出以下建议。 (一)加大新品种开发力度 近年来国外开发的高性能伯醇多聚氧化乙醚类非离子型表面活性剂;用于聚碳酸酯的脂肪酸单缩水甘油酯;用于磁带工业的添加了聚氯化乙烯醚醇的磷酸衍生物;适应于聚烯烃、聚氯乙烯、聚氨酯等多种合成材料的多元醇脂肪酸酯和三聚氰胺加成物等,总之国内科研院所应根据我国合成材料制品要求,开发出多种高性能、环保无毒的抗静电品种,并不断强化应用技术研究,以满足国内需求。 (二)加快复合抗静电剂和母粒的研究与生产 今后要加快多种结构抗静电剂及其他塑料助剂的复配,向适应范围广、效率高、系列化、多功能、复合型等方向发展。另外合成材料多功能母粒作为助剂已经成为今后合成树脂加工改性的重要原材料,如着色、阻燃、抗菌、成核等母粒在国内开发方兴未艾,国内要加快抗静电母粒的开发与研究,促进我国抗静电剂工业发展。 高分子材料论文:高分子材料抗静电技术研究论文 摘要:目前,静电在生物工程中有着重要的应用。介绍高分子抗静电的方法,阐明高分子材料抗静电技术在我国的发展和策略。 关键词:高分子材料抗静电研究 静电广泛地存在于自然界和日常生活之中,如人们每时每刻呼吸的空气每厘米就含有100500个带电粒子;自然界的雷电;干燥季节里人身上化纤衣物由于摩擦起电而粘附在身体上,这一切都是比较常见的静电现象。实际上,静电在生物工程中有着重要的应用。 一、高分子抗静电的方法概述 高聚物表面聚集的电荷量取决于高聚物本身对电荷泄放的性质,其主要泄放方式为表面传导、本体传导以及向周围的空气中辐射,三者中以表面传导为主要途径。因为表面电导率一般大于体积电导率,所以高聚物表面的静电主要受组成它的高聚物表面电导所支配。因此,通过提高高聚物表面电导率或体积电导率使高聚物材料迅速放电可防止静电的积聚。抗静电剂是一类添加在树脂或涂布于高分子材料表面以防止或消除静电产生的化学添加剂,添加抗静电剂是提高高分子材料表面电导率的有效方法,而提高高聚物体积电导率可采用添加导电填料、添加抗静电剂或与其它导电分子共混技术等。 (一)添加导电填料 这类方法通常是将各种无机导电填料掺入高分子材料基体中,目前此方法中所使用的无机导电填料主要是碳系填料、金属类填料等。 (二)与结构型导电高分子材料共混 导电高分子材料中的高分子(或聚合物)是由许多小的重复出现的结构单元组成,当在材料两端加上一定的电压,材料中就有电流通过,即具有导体的性质,凡同时具备上述两项性质的材料称为导电高分子材料。与金属导体不同,它属于分子导电物质。根本上讲,此类导电高分子材料本身就可以作为抗静电材料,但由于这类高分子一般分子刚性大、不溶不熔、成型困难、易氧化和稳定性差,无法直接单独应用,一般作导电填料与其它高分子基体进行共混,制成抗静电复合型材料,这类抗静电高分子复合材料具有较好的相容性,效果更好更持久。 (三)添加抗静电剂法 1.有机小分子抗静电剂。有机小分子抗静电剂是一类具有表面活性剂特征结构的有机物质,其结构通式为RYx,其中R为亲油基团,x为亲水基团,Y为连接基。分子中非极性部分的亲油基和极性部分的亲水基之间应具有适当的平衡与高分子材料要有一定的相容性,C12以上的烷基是典型的亲油基团,羟基、羧基、磺酸基和醚键是典型的亲水基团,此类有机小分子抗静电剂可分为阳离子型、阴离子型、非离子型和两性离子型4大类:阳离子型抗静电剂;阴离子型抗静电剂;非离子型抗静电剂;两性型抗静电剂。 导电机理无论是外涂型还是内加型,高分子材料用抗静电剂的作用机理主要有以下4种:(1)抗静电剂的亲水基增加制品表面的吸湿性,吸收空气中的水分子,形成“海一岛”型水性的导电膜。(2)离子型抗静电剂增加制品表面的离子浓度,从而增加导电性。(3)介电常数大的抗静电剂可增加摩擦体间隙的介电性。(4)增加制品的表面平滑性,降低其表面的摩擦系数。概括起来一是降低制品的表面电阻,增加导电性和加快静电电荷的漏泄;二是减少摩擦电荷的产生。 2.永久性抗静电剂。永久性抗静电剂是一类相对分子质量大的亲水性高聚物,它们与基体树脂有较好的相容性,因而效果稳定、持久、性能较好。它们在基体高分子中的分散程度和分散状态对基体树脂抗静电性能有显著影响。亲水性聚合物在特殊相溶剂存在下,经较低的剪切力拉伸作用后,在基体高分子表面呈微细的筋状,即层状分散结构,而中心部分呈球状分布,这种“蕊壳”结构中的亲水性聚合物的层状分散状态能有效地降低共混物表面电阻,并且具有永久性抗静电性能。 二、我国高分子材料抗静电技术的发展状况 我国许多科研机构和生产企业已陆续开发出一些品种,以非离子表面活性剂为主,目前常用的品种有,大连轻工研究院开发的硬化棉籽单甘醇、ABPS(烷基苯氧基丙烷磺酸钠)、DPE(烷基二苯醚磺酸钾);上海助剂厂开发目前多家企业生产的抗静电剂SN(十八烷基羟乙基二甲胺硝酸盐),另外该厂生产的抗静电剂PM(硫酸二甲酯与乙醇胺的络合物)、抗静电剂P(磷酸酯与乙醇胺的缩合物);北京化工研究院开发的ASA一10(三组份或二组份硬脂酸单甘酯复合物)、ASA一150(阳离子与非离子表面活性剂复合物),近年来又开发出ASH系列、ASP系列和AB系列产品,其中ASA系列抗静电剂由多元醇脂肪酸酯、聚氧乙烯化合物等非离子表面活性剂;ASB系列产品则为有机硼表面活性剂(主要是硼酸双多元醇脂与环氧乙烷加成物的脂肪酸酯)与其他非离子表面活性剂复合而成;ASH和ASP系列主要是阳离子与非离子表面活性复合而成,杭州化工研究所开发的HZ一1(羟乙基脂肪胺与一些配合剂复合物)、CH(烷基醇酰胺);天津合成材料工业研究所开发的IC一消静电剂(咪唑一氯化钙络合物);上海合成洗涤剂三厂开发生产的SH系列塑料抗静电剂,已经形成系列产品,在使用效果和性能上处于国内领先地位,部分品种可以替代进口,如SH一102(季铵盐型两性表面活性剂)、SH一103、104、105等(均为季铵盐型阳离子表面活性剂),SH抗静电剂属于结构较新的带多羟基阳离子表面活性剂;济南化工研究所JH一非离子型抗静电剂。(聚氧乙烯烷基胺复合物)等; 河南大学开发的KF系列等,如KF一100(非离子多羟基长碳链型抗静电剂)、KF-101(醚结构、多羟基阳离子永久型抗静电剂),另外还有聚氧乙烯醚类抗静电剂,聚乙烯、聚丙烯和聚氯乙烯专用抗静电剂202、203、204等;抗静电剂TM系列产品也是目前国内常用的,主要用于合成纤维领域。 从抗静电剂发展来看,高分子型的永久抗静电剂是最为看好的产品,尤其是在精密的电子电气领域,目前国内多家科研机构利用聚合物合金化技术开发出高分子量永久型抗静电剂方面已取得明显进展。 三、结语 我国合成材料抗静电剂行业发展前景较好,针对目前国内研究、生产、应用与需求现状,对我国合成材料抗静电剂工业发展提出以下建议。 (一)加大新品种开发力度 近年来国外开发的高性能伯醇多聚氧化乙醚类非离子型表面活性剂;用于聚碳酸酯的脂肪酸单缩水甘油酯;用于磁带工业的添加了聚氯化乙烯醚醇的磷酸衍生物;适应于聚烯烃、聚氯乙烯、聚氨酯等多种合成材料的多元醇脂肪酸酯和三聚氰胺加成物等,总之国内科研院所应根据我国合成材料制品要求,开发出多种高性能、环保无毒的抗静电品种,并不断强化应用技术研究,以满足国内需求。 (二)加快复 合抗静电剂和母粒的研究与生产 今后要加快多种结构抗静电剂及其他塑料助剂的复配,向适应范围广、效率高、系列化、多功能、复合型等方向发展。另外合成材料多功能母粒作为助剂已经成为今后合成树脂加工改性的重要原材料,如着色、阻燃、抗菌、成核等母粒在国内开发方兴未艾,国内要加快抗静电母粒的开发与研究,促进我国抗静电剂工业发展。 高分子材料论文:高分子材料专业贯通式实验案例教学分析 摘要:高分子材料专业的贯通式实验案例教学是将基础知识、探索性专业实验和工程化实践应用融汇贯通的新型教学模式。以高分子材料反应共混改性沥青加工试验为例,介绍了该教学模式的方法、步骤与特点。学生通过查阅文献、实验设计、动手操作、撰写论文及实体工程实践等环节,深化利用已学基础知识和专业知识,培养分析问题和解决问题能力。该贯通式实验案例教学有利于本科生、研究生尽快掌握高分子材料科学与工程的内涵,选择感兴趣的方向,快速进入毕业设计研究,了解社会需求和优化职业取向,加强专业体验性和理解能力。对培养学生综合素质,提高创新、创业能力有重要意义。 关键词:高分子材料;贯通式教学;实验案例;创新;创业 引言 高分子材料科学与工程是一门理论与实践紧密结合的专业,实验和实践教学是高校高分子材料专业学生必修环节。但是,传统教学模式下的高分子材料加工工程实验明显存在专业实验“按部就班”和实践过程“走马观花”等问题。此外,还有实验教学内容相对陈旧,与我国工业化发展程度脱轨;实验课时间少且死板,不利于实验的深入开展;只注重已经成熟的实验操作与报告书写,不利于创新思维的培养;实验设备陈旧,许多新的实验无法满足我国现今创业、创新人才的培养。与欧美等先进高校的高分子材料专业实验、实践课程相比,我国高校学生普遍存在动手操作能力弱、安全意识不足和解决实际问题能力差等缺点。以美国阿克伦大学高分子加工实验课程为例,实验课时间长,且强调学生亲自己动手,并鼓励使用拍照、录像等手段得到各种数据,实验报告内容丰富。即使实验失败,只要学生对失败的原因分析透彻,依然可以得到完美的分数。根据学生的反馈,这样的学习方法普遍比单纯的理论灌输和死板的实验更加有效,实验过程更具体验性。他们还将试验内容与工程实践紧密结合,将试验内容拓展到课外,加深高分子科学与工程的理解和应用。近年来,我国对创新、创业型人才的培养日益重视,推动传统实验、实践课程改革和激发学生创造力日益重要,增加综合型、研究创新型、实践型实验是大势所趋。 相对于基础型和综合型实验的“验证性”而言,研究型实验具有不确定性、探索性、自主性、开放性与可操作性等“探索性”特点。作为学生由知识学习向科学研究、工程应用转变的衔接点,研究实践型创新实验涉及多学科知识的交叉运用,侧重于运用所学知识、文献查阅和基本技能等手段应用,并要求实验结果以研究论文和工程实践报告的形式完成,其设置重在培养发现问题和解决问题能力,更具挑战性。我校高分子材料专业方向已在综合化学实验基础上,开设了自主研究型实验。通过学生与感兴趣的导师联系,共同确定实验方向,在五周内完成实验设计、实验操作、实验分析、报告撰写等相关内容。收到了较好的效果。为加强该专业的工程实践体验,我们在此基础上拓展设计了贯通式实验.即在自主研究型实验技术基础上,进入实际生产一线进行工程实践,贯通理论与实践,建立理论研究与工程应用的关系。具体是结合联系导师的转化成果,将研究型实验延伸,进行三天的工程实践,尝试将学生基础知识、专业知识和产业化实践结合运用,培养学生的工程认知和实践能力。本文以高分子材料反应共混改性沥青材料的高分子加工试验为例,探讨了该贯通式实验教学设计思路、目的、试验步骤、报告撰写方法以及实验心得等,以期促进贯通式试验教学的开展。这对培养我国迫切需要科技成果转化背景下的创新、创业人才有重要意义。 1贯通式实验教学思路 该贯通式试验案例教学是以我校比较成熟的产业化特色项目高分子材料反应共混改性沥青展开。首先指导老师布置课题,讲解贯通式实验的目的、方法和意义等过程,实验小组根据讲解内容选择高等级公路用改性沥青材料为课题展开研究。研究小组通过查阅文献、小组内讨论和教师的共同探讨,决定以苯乙烯-丁二烯-苯乙烯三嵌段共聚物(SBS)改性沥青为主题开展本次贯通型实验。其次,通过以SBS反应共混沥青改性、结构表征、性能测试为主线的研究型实验,旨在提高学生创新意识以及创新能力,培养其团队意识,了解和熟悉开展科研工作的方法。最后,通过工程实践和产学研交流,贯通试验室研究与工程实践的联系与区别,建立室验式开发研究、工程放大生产和工程应用之间的关系。 2贯通式实验教学方法及步骤 贯通式实验教学方法是用讨论式、启发式教学方法;以学生为主,允许失败,多次尝试,提倡提出问题和解决问题的锻炼模式;讲究基础理论、专业实验和工程实践相结合,融汇贯通的模式。贯通式实验教学包括以下步骤:(1)师生双向选择导师公布课题后进行师生双向选择,通过与导师交流,达成合作关系,挑选组长并布置研究实践内容和任务;(2)设计课题学生通过导师指导查找课题领域的前沿文章,以及和老师讨论,设计出切实可行的实验方案,培养学生独立设计实验的能力;(3)实验操作小组成员们利用已有基础实验知识结合专业知识的了解,比如通过实验过程既熟悉了红外光谱、光学显微镜等仪器的使用方法,又接触到了传统教学实验难以接触的新型实验设备如高速剪切机、胶体磨和低温延度计等设备;(4)数据总结与讨论小组成员将所得试验结果进行整理作图,分析讨论试验结果;(5)工程实践通过参观学习生产流水线,与操作工人、车间主任和总工程师交流学习;(6)课程总结与评价与指导老师交流实践过程的问题与收获,撰写研究报告和实践报告。 3贯通式实验教学效果与心得 贯通式实验教学摒弃了传统实验机械、死板、陈旧的教学方式,为老师教学以及学生学习都带来了创新的想法和创业的火花。贯通式实验教学效果总结有如下四点: (1)培养了研究方法和团队协作意识实验小组通过前期选题,查阅大量的资料,了解目前高分子科学领域的新的研究方向。实验过程中,小组成员们接触到并使用了许多传统实验教学中难觅踪影的仪器,SBS、石油沥青等材料的特性,开阔了他们的视野,真正体验了科学研究的过程。分工明确,通过各成员间的协作配合,共同完成。提高了实验操作技能以及与他人合作的能力。在实验过程中不断思考并对实验方案进行改进,定期与老师见面并报告相关进展,最后完成整个实验部分; (2)培养了学生独立思考分析问题和总结升华能力数据总结处理阶段,通过分析实验结果,学会了用统计方法软件对所得数据进行处理,对实验现象运用理论知识做出合理的解释。对有疑惑的问题,小组成员之间随时进行讨论分析,并查阅相关文献,进一步试验验证,最后找到了问题的根源。将所有结果整理并书写成报告。通过对实验结果进行分析与写作,培养了他们独立思考、清晰表达、总结升华的能力; (3)培养了学生工程化思维在工业实际生产阶段,进一步考察工厂生产环节,书写工程实习报告,丰富学生的社会适应能力,并为迅速进入企业工作奠定良好的基础。例如,在工厂实践阶段,认识了实验室实验与工程试验的差别,深化了化学工程中原材料、操作单元选择原则,化工原理中“三传一反”的理解。以搅拌装置的设计为例,大型搅拌桨根据物料粘度设计的原理,SBS与沥青混合加料时的弱搅拌与反应后的强搅拌桨叶的不同;以我国早期SBS改性沥青生产时,为解决高熔体粘度的SBS与低粘度沥青的分散性通过胶体磨等特殊设备强化剪切变形实现分散;还可以通过选择SBS的嵌段比例、分子量等手段提高其在沥青中的分散性; (4)培养了创业思维通过与市场、采购和财务部门人员的交流,了解到企业的市场信息是生产的前提,市场信息是基于大量使用数据和与用户沟通相结合而得到的。市场原材料信息、市场销售信息反馈到研发部门进行开发,形成原材料进入、加工制造和产品销售与服务一体化的运转格局,为以后创业思维的培养打下基础。工程化思维对促进学生校内培养有积极的影响。通过工程化实践锻炼了学生将高分子专业理论知识用于实践,并通过实践加深了对理论知识的学习。例如,深入了解了高分子材料工程的共同点,是解决高性能与易加工、经济性三者的矛盾,环境污染治理与经济性的矛盾。学习了公司治理结构,了解公司的发展优秀,一是靠管理,二是靠科技。团队协作是公司高效运转的保障,注重团队建设。在此过程中,也培养了团队协作能力,更快融入将来的工作融合贯通,认识平时所学知识的重要性,促进专业知识的学习。 在基础理论与工程化生产方面,还认识到室内基础研究试验与工程化生产相辅相成,工程化提出问题必须通过基础研究指导才能获得突破。基础理论指导工程化实践,工程化实践又不能局限于基础理论,还需考虑社会因素、市场因素和环境因素等。在生产应用方面,深刻理会了“安全第一”是一切生产的根本。工厂的安全教育,为以后试验室及工程化生产奠定了基础。工程化放大生产是无数实验室试验的总结,也是指导实验室小试、中试和放大生产的根本。稳定化、规模化生产是市场化应用的根本保障,标准的试验方法和严格的产品检测是市场应用的根基。市场是科研的主要推动力,基础研究是推动科研进行的源动力。 4贯通式教学总结 贯通式实验教学通过自主探索实验和工程实践体验的方式,增强了高分子材料专业教学的趣味性、探索性和创造性,不但对培养学生提出问题和解决问题的能力有积极作用,而且还有利于高校和企业培养创新和创业人才。贯通式实验教学的难点在于,建立良好的产学研信任关系和学生的积极主动性的配合。此外,指导教师的精细设计和企业、学校领导的大力支持也必不可少,有必要进一步深入挖掘适合贯通式实验教学的课题,深化与企业的合作关系,协同培养发掘创新、创业人才。当然,该贯通式实验教学仍处于探索之中,在培养时间、培养模式、培养效果等方面还值得商榷。总之,贯通式实验教学的不确定性、探索性、自主性、开放性与体验性更契合当前学生对实验课的需求以及国家对创新、创业能力人才的培养,值得进一步推广和完善。 作者:王仕峰1;潘三水1;张勇1;李嘉曦2;李航3 单位:1.上海交通大学 高分子材料论文:脉冲激光技术在高分子材料加工中的运用 摘要:随着我国科学技术水平的不断提高以及诸多科研人员的努力,激光技术获得了飞速的发展,超短脉冲、超高强度、超短波长等成为了当前激光技术的代表特征,脉冲激光技术的出现更为高分子材料加工带来了革命性的进步。在分析脉冲激光技术在高分子材料加工中的应用时,首先对脉冲激光及其折射率改性情况进行了概述,在此基础上从激光烧烛产生表面多孔结构、周期结构以及块体材料加工对材脉冲激光技术的应用几个方面进行了详细的研究与探讨。 关键词:脉冲激光技术;高分子材料;材料加工 近年来,脉冲激光技术已经得到了相对比较广泛的应用,并且该种精密的加工技术越来越受到社会与人们的关注,主要原因在于脉冲激光技术能够在加工高分子材料的过程中得到比较高的加工精度,并且能够进行材料表面的加工,使得材料的表面形成多孔结构与周期结构等。更加能够实现对块体材料、透明材料的内部加工与改性等。可以说,脉冲激光技术比较适用于其他加工技术无法实现的复杂形状元器件的加工以及高精度元器件的加工。脉冲激光技术在高分子材料加工的过程中所产生的瞬间功率比较大,几乎能够与任何材料产生相互的作用,本文对脉冲激光技术在高分子材料加工中的应用进行研究,希望能够促使高分子材料加工更加良好的依据脉冲激光技术获得发展。 1脉冲激光及其折射率改性 所谓脉冲主要便是指隔一段相同的是假案发出的电波、光波等机械形式。脉冲激光则主要是指脉冲工作方式的激光器发出的光脉冲,脉冲激光具有其独特的工作必要性,其能够进行信号的发送并且减少热量的产生。一般情况下,脉冲激光比较短,其时间几乎已经达到了“皮秒”的级别。脉冲激光器在工作中需要由激光泵浦源持续性的提供能量,由此方能够长期间产生并且输出脉冲激光。高分子材料加工领域目前对脉冲激光技术有所应用。就高分子材料而言,其材料的折射率与其密度之间呈现正比关系,并且包括末端基、添加剂与杂志等化学组成、分子趋向、链间结合力等均与热历史存在关系。在高分子材料加工应用脉冲激光技术时,与其他改性技术相比较而言,脉冲激光技术能够诱导高分子材料改性技术对其财力下性能产生最小的影响,并且脉冲激光技术能够在高分子材料的表面将原有的化学键打破,并且能够形成全新的化学键,以此改变高分子材料的特性。 2高分子材料加工对脉冲激光技术的应用 2.1激光烧烛产生表面多孔结构 激光烧烛产生表面多孔结构能够有效的促进高分子材料与生物组织交界面上的细胞黏附与增殖,使得生物医学领域的众多学者均对其予以了较高的关注。高分子材料表面的孔洞会在材料表面热化的情况下形成,并且应力在整个孔洞形成的过程中发挥着极为重要的作用。受应力波的影响,高分子材料的黏度会下降,而高分子材料本身又存在着因应力波作用而产生的孔洞长大的核,即自由体积孔洞,该自由体积孔洞的总体积会在温度上升的情况随着应力的下降而增加。就该方面高分子材料对脉冲激光技术的应用情况已经有部分学者展开了研究,并且认为在248nm的脉冲激光辐照下高分子材料胶原薄膜的链结构稳定性会发生一定改变,其能够将原有的氢键网络打破,并且经过红外吸收光谱、拉曼光谱、荧光分析等发现高分子材料胶原主链的部分会出现光热分解现象,在激光烧烛时会将光机械作为主要作用力,而后发生光化学转变。该种状态下生物的相容性会发生改善,即细胞黏着与细胞生长会发生改变。 2.2激光烧烛产生表面周期结构 高分子材料一般不会吸收长波长激光,其只有在激光强度十分高的情况下方能够有效的实现多光子的吸收。此时脉冲激光辐照在高分子材料表面时便会形成一定的表面周期结构,且存在波长效应,其中,长脉冲激光器只能够形成紫外波段激光器,而超短脉冲激光器则能够在紫外波段和红外波段均形成激光器。激光烧烛所产生的高分子材料表面周期结构一般可以向其纳入到波长量级,并且在对偏振态、激光波长与入射角度等参数进行改变的情况下,高分子材料表面结构亦能够发生相应的改变。经过对激光烧烛产生表面周期结构进行研究可以发现,其形成的机理主要包括两点:①入射脉冲激光束与高分子材料的表面散射光之间能够相互调制;②脉冲激光的强度调制能够转化成为高分子材料表面的改性结构。在激光烧烛产生表面周期结构的该两点形成机理相互联情况下,脉冲激光辐照将能够促使高分子材料产生表层的热化,继而在温度梯度的影响下导致高分子链不断扩散,最终形成表面周期结构。 2.3块体材料加工对脉冲激光技术的应用 高分子材料会对不同波长的光进行吸收,紫外脉冲激光加工需要对高分子材料的该点特性会产生依赖性。一般情况下,大部分的透明高分子材料均属于弱吸收体,其能够吸收的波段一般保持在193mm以下的真空紫外区。若入射的脉冲激光光子能量明显要大于高分子材料的化学键能时可以将原有的化学键直接打破,此时高分子材料将会被离解成为单体产生脉冲激光烧烛,但是并不会产生液相,属于典型的光化学过程,其所产生的热影响亦最小。对于块体材料加工对脉冲激光技术的应用方面,部分学者发现利用飞秒激光技术进行PCL片材的加工将能够在加工的过程中于加工边缘发现存在着热退火形成的晶球以及快速冷却形成的非晶组成热影响区域。与此同时,紫外波段光子能量若超过了高分子材料中大部分分子键能,则亦会产生光化学作用。 3结束语 综上所述,脉冲激光技术加工高分子材料具有十分复杂的机理,且不同的脉冲激光加工技术会对加工工艺、加工材料等提出不同的要求,因而高分子材料的脉冲激光烧烛在各界均有着比较大的争议性。比较典型的高分子材料在脉冲激光技术加工下的光热与光化学特点有:短波长激光的光子能量比较大,能够直接打破高分子材料的化学键,并且能够对高分子材料进行光化学降解。若将脉冲激光中脉冲的宽度缩短将能够有效地提高多光子吸收截面,此时的加工效率也将能够有效提高。鉴于此,脉冲激光能够成为我国现阶段以及未来工业高分子材料加工的首选技术,并且在不断地研究与探索下,脉冲激光技术将能够进一步的完善与应用,推动我国社会与经济水平全面提升,并且提高我国在国际方面的影响力。 作者:田新 单位:新疆轻工职业技术学院 高分子材料论文:熔融沉积成型用高分子材料研究 《化学推进剂与高分子材料杂志》2016年第6期 摘要: 介绍了熔融沉积成型(FDM)原理及所需材料要求,详细阐述了国内外FDM用丙烯腈–丁二烯–苯乙烯塑料、聚乳酸、聚碳酸酯的研究进展,展望了其发展前景。 关键词: 熔融沉积成型;ABS;聚乳酸;聚碳酸酯 3D打印是一种以设计的3D模型为基础,利用打印设备逐层增加材料来构造三维实物的快速成型技术[1]。它集成了CAD(计算机辅助设计)/CAM(计算机辅助制造)、机电控制和材料科学等方面的技术,被誉为“第三次工业革命”的优秀技术。目前比较成熟的快速成型工艺有:光固化立体造型、叠层实体制造、选择性激光烧结、熔融沉积成型。与其他快速成型工艺相比,FDM操作简便,安全无毒,成型效率高,成型设备价格低,发展极为迅速。目前FDM系统在全世界已使用的快速成型系统中约占1/3。材料是熔融沉积成型的重要基础,具有可黏合性的高分子材料是FDM工艺最常用的材料,它的发展速度制约熔融沉积成型的进一步发展。本文重点介绍了丙烯腈–丁二烯–苯乙烯塑料、聚乳酸、聚碳酸酯3类高分子材料用于FDM工艺的研究进展,为熔融沉积成型进一步发展提供理论基础。 1FDM工艺概述 1.1FDM工艺工作原理 首先用加热装置将丝状(直径约2mm)热塑性材料加热熔化,给材料合适的压力将熔融态材料从微细喷嘴(直径一般为0.2~0.6mm[2])中挤出,喷头根据计算机设定的模型截面信息运动,将挤压出的熔融态丝材涂覆在工作台的制件基座的指定位置,并快速冷却固化,一个层面沉积完成后,工作台按设定的增量下降一个层的厚度,再继续熔融沉积,循环往复,直至完成整个实体制造。 1.2FDM材料的性能要求 根据FDM工艺原理及特点,所用高分子材料应满足以下性能要求[3–5]:①材料的制丝要求高分子材料在使用前,要经螺杆挤出机加工成直径约2mm的单丝,因此材料必须能够挤出成型。单丝要求表面光泽、直径均匀、内部无中空,在常温下应具有良好的柔韧性,不会被轻易折断。②材料的收缩率线材经熔融挤出后在工作台上快速固化,但若成型材料收缩率大,固化时的体积收缩就会在制品中产生更大的内应力,进而使制品翘曲变形,甚至导致制品开裂,以至成形失败。材料的收缩率是影响制品外形质量最重要的因素之一,FDM工艺要求成型材料的收缩率越小越好。③材料的机械性能丝状进料方式要求料丝具有较好的力学性能,这样在摩擦轮的牵引和驱动力作用下才不会发生断丝和弯曲现象。由于料丝在加热装置内还起到活塞推进作用,为提高其抗失稳性能,料丝必须具有足够的弹性模量。④材料的流动性为将熔融态的丝材从喷嘴中顺利挤出,要求所用材料在熔融态时具有较好的流动性。流动性差的材料产生的阻力大,难以挤出;流动性太好的材料挤出后难以控制,发生流涎,并造成每一次循环的起始与停止时,挤出物料不均匀。 2FDM用高分子材料研究进展 2.1ABS ABS是目前使用最多、应用最早的高分子打印线材。它综合了丁二烯、苯乙烯和丙烯腈各自的优良性能,具有良好的力学性能,易加工,广泛应用于汽车、纺织、电子电器和建筑等领域[6]。但ABS也存在一些缺点:较大的收缩率,制品易收缩变形,易发生层间剥离及翘曲等现象;耐热变形性较差;打印过程中有异味产生。为改善ABS打印的成型质量,国内外学者在ABS改性方面做了很多工作。 2.1.1国外 M.L.Shofner等[7]用VGCFs(气相生长碳纤维)填充ABS,制备用于FDM工艺的复合材料,研究了填充VGCFs对ABS机械性能的影响。结果表明,加入VGCFs能提高ABS的拉伸强度和模量,但是流动性会变差。美国的Stratasys是世界上最大的3D打印材料公司,它新推出了一款ABS材料ABS–M30i。与标准的StratasysABS相比,ABS–M30i的力学性能有较大的提高,并且层间黏合强度大幅提升,扩大了ABS的应用范围[8]。Stratasys公司的第2代数码ABS2,这种新型材料可通过FDM技术制备薄壁电子器件,且具有良好的热稳定性和尺寸稳定性[9]。美国3DXTech公司利用多壁碳纳米管对纯ABS树脂进行改性,制备出新型FDM用ABS材料——3DXNanoESD,可用于打印汽车、电子器件用关键零件,以及需要静电放电(ESD)保护的器件。 2.1.2国内 仲伟虹等[10]利用短切玻璃纤维对ABS进行改性,研究了短切玻璃纤维含量对ABS机械性能的影响。结果表明,加入短切玻璃纤维,ABS材料的收缩率变小,解决了ABS制品易收缩变形的问题,同时材料强度、硬度大幅提升,但会使材料韧性变差。加入增韧剂和增容剂很好地解决了这一问题,提高了ABS复合材料的韧性,从而使短切玻璃纤维改性的ABS材料适合于FDM工艺。方禄辉等[11]将ABS与热塑材料苯乙烯–丁二烯–苯乙烯共聚物(SBS)进行熔融共混,制备用于FDM工艺的功能材料,研究了SBS结构及其含量对ABS/SBS共混物各性能的影响。结果表明,加入热塑材料SBS,ABS的流动性明显提高,韧性变好,低频下熔体强度高,对剪切频率依赖变弱,较好地适用于FDM工艺对ABS材料流动性和力学性能的要求。聂富强等[12]发明并公布了一种ABS线材的制备方法。首先将聚丁二烯橡胶剪碎溶在苯乙烯中,然后加入丙烯腈单体和稀释剂后搅拌成均相,再加入引发剂,在一定温度下连续本体聚合后获得可用于FDM工艺的ABS。利用优化后的制备方法成功制备了ABS,且制备的ABS耐热性好、抗冲击强度高。黄旭辉等[13]公开了一种3D打印用ABS材料,材料为核壳结构,核体为改性的ABS材料,壳体为聚砜(PSF)材料。通过将材料制备成核壳结构,材料同时具有ABS的高韧性和PSF的高耐热性和成型收缩率小等优势,取长补短。在ABS材料内添加抗冲击改性剂来增强材料的弯曲强度和压缩强度,改善力学性能;利用小粒度的碳纤维增强材料包裹有机倍半硅氧烷增加材料之间的界面,更好地结合ABS材料与PSF材料,解决了复合材料界面结合力较弱的问题,扩大了ABS材料的使用范围。 2.2聚乳酸 聚乳酸是以玉米或甘蔗为原料,经过发酵制成乳酸,最终转化为聚乳酸[14]。聚乳酸具有良好的光泽性、延展性、降解性、生物相容性,打印的制品硬度好,色彩鲜艳,透明富有光泽,外观细腻,打印过程中不产生难闻气味,是3D打印最好的原材料[15]。聚乳酸的缺点也同样明显,其韧性和抗冲击强度较差,打印制品脆性大,强度较低,尺寸稳定性差,不能抵抗温度变化,当温度超过50℃就会变形,限制了其使用范围[16–18]。为此,国内外学者做了很多工作来改善聚乳酸的性能。 2.2.1国外 D.Drummer等[19]将磷酸钙与聚乳酸复合,通过FDM技术制备组织工程和颌面外科用材料,研究了喷嘴温度对复合材料力学性能的影响。结果表明,喷嘴温度为225℃时,复合材料的模量为3122N/mm2,力学性能最好,而温度为235℃时,所得复合材料具有最低的拉伸强度和断裂伸长率。德国FKuRKunststoff公司与荷兰Helian公司合作,制备出用于FDM的高性能PLA材料,该材料通过加入天然纤维来提高PLA的强度和尺寸稳定性。荷兰Colorfabb公司最近开发出两款新型PLA材料,具有木质效果的WoodFillFine和仿竹子的BambooFill。随后,Colorfabb公司又推出一款独特的PLA线材——具有软木效果的CorkFill。与传统的木材相比,新型纤维增强PLA材料打印的制品外观独特,具有很好的木质效果,并且没有设计限制[20–21]。日本JSR公司推出一系列高性能PLA线材,命名为FABRIAL。此系列产品强度高,韧性好,加工过程中不易折断,制品稳定性好,可用于制造最终产品,有效解决了PLA材料打印制品脆性大、强度较低等问题,扩展了制品的用途。今后该公司将充实产品种类,推出具有特殊性能的产品,以满足多种用途需求[22]。 2.2.2国内 谭志勇等[23]将一种环氧类大分子扩链剂与PLA树脂进行共混,研究扩链剂用量对PLA相对分子质量的影响,以及热处理时间和温度对共混物机械性能和结晶性的影响。结果表明:扩链剂中的环氧基团与PLA中的端羟基、羧基发生反应,PLA的相对分子质量大幅提升;选择合适的条件进行热处理可以使PLA及其共混物结晶,PLA的强度和尺寸稳定性均得到了提高。鄢国强等[24]发明并公布了一种适用于FDM技术的改性聚乳酸复合材料,将PLA、扩链剂、增韧剂、分散剂等经高速混合机混合后,利用挤出机挤出拉丝得到线材。与纯PLA相比,该材料具有良好的柔韧性,同时冲击强度、耐热性和断裂伸长率得到了较大的提高,将该复合材料用于FDM技术,成品具有表面光洁、尺寸稳定等优点。陈庆等人[25]发明并公布了一种FDM工艺用聚乳酸材料及其制备方法。该方法利用低温粉碎混合反应技术改性PLA,改性后的PLA材料机械性能和热变形温度大幅提升,扩大了PLA材料的使用范围。增韧改性后的PLA材料打印温度为200~240℃,打印过程中材料收缩率小,无气味,打印过程流畅,制品尺寸稳定,富有光泽。 2.3聚碳酸酯 PC是一种分子链中含有碳酸酯基的热塑性树脂。它性能优良,是目前使用最多的热塑性工程塑料之一[26–27]。PC几乎具备了工程塑料的所有优良特性,抗冲击性能好、无味、耐高温、抗弯曲、强度高,此外还具有良好的阻燃特性,可用于FDM工艺制备高强度产品[28]。但PC也存在一些缺点:颜色单一,着色性能不理想;PC中含有致癌物质双酚A,在高温下会析出,影响人体健康;价格相对较高;打印温度过高(超过300℃),不适用大多数的桌面3D打印机。 2.3.1国外 Stratasys是世界上第一家推出PC线材的3D打印公司。用该线材生产的产品强度高,耐热性好,最高可耐145℃。随后,Stratasys公司开发了工程材料PC/ABS。PC/ABS同时具有PC的高强度以及ABS的高韧性,力学性能大幅提升,使用该材料配合FORTUS设备制作的产品性能更佳。随后,Stratasys公司又推出了Polycarbonate–ISO(PC–ISO)材料。PC–ISO[29]是FDM技术可采用的材料中强度最高、耐热性最好的生物相容性材料。它通过γ射线、环氧乙烷进行杀菌并且符合ISO10993和美国药典塑料VI级标准,具备PC的所有性能,又具有良好的生物相容性,广泛应用于食品包装行业及医疗器械行业。 2.3.2国内 2014年,广州傲趣电子科技有限公司公布了一种高性能PC线材。此种线材用拜耳公司生产的食品级PC原料制作,可用于FDM工艺。该线材打印过程平台温度为120~150℃,喷嘴温度为255~280℃,流动性好,制品强度高,外观光泽细腻,尺寸精度高,不含双酚A,有效解决了PC材料的致癌问题。2015年,来自上海的3D打印材料制造商Polymaker与先进化学材料开发商Covestro(前身为拜耳材料科技)联手,共同开发出了两款专门针对桌面3D打印机的全新聚碳酸酯3D打印线材——PolymakerPC–Plus和PolymakerPC–Max。这两款线材经过特殊配方已经将打印温度从300~320℃下降到250~270℃,有效解决了PC材料难以用于桌面3D打印机的问题,打印温度的降低同时也减少了在打印过程中出现翘曲或变形的可能性。管国虎等[30]公布了一种FDM用芳香族聚酯材料及其制备方法。该发明首先将芳香族聚酯加入芳香族聚碳酸酯中进行共混改性,然后将共混物加工成细条状,再用适当剂量的电子束辐射使其发生一定程度的交联。该方法保持材料熔融加工性能的同时又达到了本体增强的目的。改性后的材料抗冲击性大大提高,使芳香族聚碳酸酯具有更加广阔的应用。 3展望 FDM技术相对于其他快速成型技术,由于具有成型速度较快,产品性能好、易清洁,后处理简单,设备体积小、易维护等优点,因而将会有更广泛的应用。经国内外学者的共同努力,FDM技术最常用的ABS、PLA和PC材料的性能大大提高,为FDM技术的广泛应用奠定了基础。目前国内有能力生产用于FDM技术的丝材的企业较少,且产品较国外有较大差距。因此,今后应加大对3D打印企业的资金支持,鼓励技术革新,研发高质量产品,缩小与国外的差距,促进我国3D打印产业的发展。 作者:魏欣 刘洋子健 张成彬 张均 姜志国 单位:北京化工大学材料科学与工程学院 高分子材料论文:高分子材料的化工原理教改 一、阐明高分子生产加工与化工生产间的内在联系 高分子材料加工涉及的通常是高分子材料成型加工方法,化工原理课程也是海南大学(以下简称“我校”)高分子材料与工程专业的一门专业基础课。学生在初学化工原理时可能感觉与高分子加工技术相差较大,对将来专业知识没有直接帮助,学习的积极性与主动性均难以充分调动,甚至还易产生消极抵触的情绪。因此,在课程刚开始的绪论这一章的教学中在介绍什么是化学工业过程时笔者不以教材里的传统化工加工为例,而是详举高分子行业中运用化工原理知识进行材料加工处理的实例,提前介绍一些高分子材料加工的方法,拉近学生与传统化工加工技术的距离,让学生理解高分子加工的一些操作与传统化工类的操作间的异同点,以便消除同学们内心的疑惑,指明高分子材料加工专业的同学学习化工原理知识的必要性。如天然橡胶的初加工是海南(以下简称“我省”)省的特色产业也是我校高分子材料专业的一个重要方向。从天然橡胶树上采割的胶乳经过一系列的处理得到干胶产品(如图所示)。在这个过程中干燥、浓缩、压片等操作与传统化工生产中的相关的单元操作一样,所用的基本原理相同,设备基本通用。高分子材料如聚乙烯的合成中乙烯气体在常压常温下,加压输送合成前的加热升温操作及反应后产物的分离与传统化工专业的流体输送原理及加热原理是相同的,所用设备是相通的。 二、将高分子加工工艺融入化工原理的课程教学中 在高分子材料的加工中采用了大量的化工单元操作。但这些高分子加工艺在传统的化工原理教材中是看不到的。这就要求任课教师具有高分子材料加工方面的知识背景,这样可以将高分子加工工艺中运用到的化工原理的知识融入课程的教学中,学生领会到该门课程的知识在专业知识中的基础作用学习兴趣才会提高,并且在将来的工作中能有意识地提前运用化工原理的理论知识,进行企业的节能降耗等的工艺改进。如在以动量传递理论为基础的单元操作的有关教学中,教材通常是以牛顿型流体如水、苯或甲苯等常规化学品的流体输送为例,而高分子材料专业的学生处理对象多为大分子材料,所处状态通常固体颗粒或黏稠状态,属于非牛顿型流体范畴。因此教材中的例子缺乏对高分子材料专业学生的足够吸引力,难以达到应有的示例效果。教学中我们以胶乳厂中天然浓缩胶乳的生产工艺为例,说明工艺中我们利用泵提供新鲜胶乳能量,促使其流入高速离心机中,而离心机是非均相物分离的一个单元操作。高分子量的聚异戊二烯在离心机转鼓的轴中心较远的地方富集,而小分子如水分、小分子量的聚异戊二烯在轴中心附近富集。将这两个位置的乳液分别导出就分别得到浓缩胶乳和胶清胶,并利用非牛顿型流体的阻力计算方法表明,由于胶乳的黏稠度远大于水的黏度在动力消耗上要比同等条件下输送水的动力消耗大。鉴于在塑料或橡胶的加工生产中大量运用到了螺杆挤出机。所以在流体输送设备介绍中,笔者是以螺杆挤出机在塑料加工中的应用为例,说明螺杆挤出机的工作原理,并且介绍在塑料挤出机的料斗的颗粒进料系统中可以利用固体流态化技术,采用真空吸料或用鼓风机压料进行原料输送。在以热量传递为理论基础的单元操作中,在介绍以导热方式进行的热传递时,笔者以未硫化胶膜在平板硫化仪内加热硫化为例进行导热说明。而以塑料在螺杆挤出机内或橡胶在炼胶机上进行塑炼时的粘流态受热为例介绍对流传热热传递方式。在以质量传递为理论基础的单元操作中,以粉末涂料的生产为例,介绍喷雾干燥工艺。这些将高分子材料加工工艺融入化工原理的课堂教学中,拉近了材料加工与化工原理知识间的距离,提高了学生学习的兴趣,起到明显的教学改革效果。 三、以高分子材料为实验对象 化工原理一般是同学们从公共基础课转向专业课学习所接触到的第一门工程性课程,亦是一门理论与实践紧密结合的技术基础课程。它的实验课教学设计至关重要,其不仅关系到整门课程教学效果的好坏,更是决定能否推进该课程素质教育的关键环节之一。为提高高分子材料类专业同学参与化工原理实验课的学习热情,笔者在实验教学中选择高分子材料进行相关的实验。如干燥实验中有的专业以甘蔗渣纸板为实验对象,获得有关纤维的干燥过程曲线和干燥速率曲线。而我省特色产业天然胶乳加工中有将天然胶乳干燥制备成干胶的这一操作。为了结合我校的高分子材料专业,专业实习提前将有关化工原理的知识融入到专业学习中。实验中以天然胶乳制备的湿膜片为实验材料,获得天然胶乳薄膜制品的干燥过程曲线和干燥速率曲线,为以后同学们去胶乳厂参观实习提供理论和实验依据。这一举措不仅有效激发了同学们参与实验研究的主动性,反过来也极大促进了该课程理论学习的积极性。 四、有的放矢传授教学内容,适应少学时的课程教学计划 在高分子材料类专业的教学计划中,化工原理虽也多被列为必修课程,但相比化工类专业,其教学学时要少得多。因此,如何在有限的学时内,引导同学们在掌握基本化工操作知识的基础上,有的放矢地传授教学内容,引导学生自主复习,进行课外自学。如化工原理教材中有大量公式推导过程,少学时专业课的教学中不容许课堂上在公式推导中花费大量的时间,课堂教学中会简单介绍推导思路,鼓励学生课前及课后自学,重点放在有关理论的应用上。如离心泵理论扬程的方程式的推导过程,运用了前期我们学过的伯努利方程的知识和几何学中速度的矢量运算知识。在教学中要求学生课前自学,教学重点在分析、总结和对公式的理解和运用上。考虑课程特点,在蒸发等单元操作上分配课时较少,而对于膜分离这类单元操作,由于与高分子材料有密切关系,安排一定的学时学习这类单元操作的原理。这样做到有的放矢,尽可能与专业产生一定的关联,为专业知识拓宽坚实的专业基础知识。 作者:张可喜符新何映平李志君单位:海南大学材料与化工学院 高分子材料论文:生物可降解高分子材料 摘要:我国目前的高分子材料生产和使用已跃居世界前列,每年产生几百万吨废旧物。如此多的高聚物迫切需要进行生物可降解,以尽量减少对人类及环境的污染。本文探讨了生物可降解高分子材料现阶段的开发应用情况。 关键词:高分子材料可降解生物 我国目前的高分子材料生产和使用已跃居世界前列,每年产生几百万吨废旧物。如此多的高聚物迫切需要进行生物可降解,以尽量减少对人类及环境的污染。生物可降解材料,是指在自然界微生物,如细菌、霉菌及藻类作用下,可完全降解为低分子的材料。这类材料储存方便,只要保持干燥,不需避光,应用范围广,可用于地膜、包装袋、医药等领域。生物可降解的机理大致有以下3种方式:生物的细胞增长使物质发生机械性破坏;微生物对聚合物作用产生新的物质;酶的直接作用,即微生物侵蚀高聚物从而导致裂解。按照上述机理,现将目前研究的几种主要的可生物可降解的高分子材料介绍如下。 1、生物可降解高分子材料概念及降解机理 生物可降解高分子材料是指在一定的时间和一定的条件下,能被微生物或其分泌物在酶或化学分解作用下发生降解的高分子材料。 生物可降解的机理大致有以下3种方式:生物的细胞增长使物质发生机械性破坏;微生物对聚合物作用产生新的物质;酶的直接作用,即微生物侵蚀高聚物从而导致裂解。一般认为,高分子材料的生物可降解是经过两个过程进行的。首先,微生物向体外分泌水解酶和材料表面结合,通过水解切断高分子链,生成分子量小于500的小分子量的化合物;然后,降解的生成物被微生物摄入人体内,经过种种的代谢路线,合成为微生物体物或转化为微生物活动的能量,最终都转化为水和二氧化碳。 因此,生物可降解并非单一机理,而是一个复杂的生物物理、生物化学协同作用,相互促进的物理化学过程。到目前为止,有关生物可降解的机理尚未完全阐述清楚。除了生物可降解外,高分子材料在机体内的降解还被描述为生物吸收、生物侵蚀及生物劣化等。生物可降解高分子材料的降解除与材料本身性能有关外,还与材料温度、酶、PH值、微生物等外部环境有关。 2、生物可降解高分子材料的类型 按来源,生物可降解高分子材料可分为天然高分子和人工合成高分子两大类。按用途分类,有医用和非医用生物可降解高分子材料两大类。按合成方法可分为如下几种类型。 2.1微生物生产型 通过微生物合成的高分子物质。这类高分子主要有微生物聚酯和微生物多糖,具有生物可降解性,可用于制造不污染环境的生物可降解塑料。如英国ICI公司生产的“Biopol”产品。 2.2合成高分子型 脂肪族聚酯具有较好的生物可降解性。但其熔点低,强度及耐热性差,无法应用。芳香族聚酯(PET)和聚酰胺的熔点较高,强度好,是应用价值很高的工程塑料,但没有生物可降解性。将脂肪族和芳香族聚酯(或聚酰胺)制成一定结构的共聚物,这种共聚物具有良好的性能,又有一定的生物可降解性。 2.3天然高分子型 自然界中存在的纤维素、甲壳素和木质素等均属可降解天然高分子,这些高分子可被微生物完全降解,但因纤维素等存在物理性能上的不足,由其单独制成的薄膜的耐水性、强度均达不到要求,因此,它大多与其它高分子,如由甲壳质制得的脱乙酰基多糖等共混制得。 2.4掺合型 在没有生物可降解的高分子材料中,掺混一定量的生物可降解的高分子化合物,使所得产品具有相当程度的生物可降解性,这就制成了掺合型生物可降解高分子材料,但这种材料不能完全生物可降解。 3、生物可降解高分子材料的开发 3.1生物可降解高分子材料开发的传统方法 传统开发生物可降解高分子材料的方法包括天然高分子的改造法、化学合成法和微生物发酵法等。 3.1.1天然高分子的改造法 通过化学修饰和共混等方法,对自然界中存在大量的多糖类高分子,如淀粉、纤维素、甲壳素等能被生物可降解的天然高分子进行改性,可以合成生物可降解高分子材料。此法虽然原料充足,但一般不易成型加工,而且产量小,限制了它们的应用。 3.1.2化学合成法 模拟天然高分子的化学结构,从简单的小分子出发制备分子链上含有酯基、酰胺基、肽基的聚合物,这些高分子化合物结构单元中含有易被生物可降解的化学结构或是在高分子链中嵌入易生物可降解的链段。化学合成法反应条件苛刻,副产品多,工艺复杂,成本较高。 3.1.3微生物发酵法 许多生物能以某些有机物为碳源,通过代谢分泌出聚酯或聚糖类高分子。但利用微生物发酵法合成产物的分离有一定困难,且仍有一些副产品。 ;3.2生物可降解高分子材料开发的新方法——酶促合成 用酶促法合成生物可降解高分子材料,得益于非水酶学的发展,酶在有机介质中表现出了与其在水溶液中不同的性质,并拥有了催化一些特殊反应的能力,从而显示出了许多水相中所没有的特点。 3.3酶促合成法与化学合成法结合使用 酶促合成法具有高的位置及立体选择性,而化学聚合则能有效的提高聚合物的分子量,因此,为了提高聚合效率,许多研究者已开始用酶促法与化学法联合使用来合成生物可降解高分子材料新晨 4、生物可降解高分子材料的应用 目前生物可降解高分子材料主要有两方面的用途:(1)利用其生物可降解性,解决环境污染问题,以保证人类生存环境的可持续发展。通常,对高聚物材料的处理主要有填埋、焚烧和再回收利用等3种方法,但这几种方法都有其弊端。(2)利用其可降解性,用作生物医用材料。目前,我国一年约生产3000多亿片片剂与控释胶囊剂,其中70%以上是上了包衣的表皮,其中包衣片中有80%以上是传统的糖衣片,而国际上发达国家80%以上使用水溶性高分子材料作薄膜衣片,因此,我国的片剂制造水平与国际先进水平有很大的差距。国外片剂和薄膜衣片多采用羟丙基甲纤维素,羟丙纤维素、丙烯酸树脂、聚乙烯吡咯烷酮、醋酸纤维素、邻苯二甲酸醋酸纤维素、羟甲基纤维素钠、微晶纤维素、羟甲基淀粉钠等。 高分子材料论文:建筑材料中废旧高分子材料回收利用研究 摘要:高分子材料是现代社会生产加工中应用的主要原料形式之一,建筑材料中高分子的应用更是随处可见,结合生活中高分子的应用,从职业院校教师的角度,对建筑材料中废旧高分子材料的回收利用探究。 关键词:建筑材料;高分子材料;回收利用 随着社会经济发展水平的逐步提高,社会发展的范围也得到扩大,现代建筑材料中,主要应用以塑料、橡胶、纤维为主的高分子材料作为主要的建筑材料,高分子材料在建筑材料中的应用,可以降低建筑的成本,实现现代建筑的使用寿命得到延长,但建筑材料中废旧高分子材料应用的回收不当,对社会环境造成较大的污染,结合高分子材料的特性,对高分子的回收利用进行探究。 1废旧高分子材料的危害分析 高分子材料主要是由塑料、橡胶以及纤维等资源,是一种新型符合建筑材料,废旧的分子如果不能得到及时降解,则会在太阳光的作用下发生化学反应,产生以二氧化硫为主的污染气体[1],对造成大气污染,同时,高分子中的塑料成分中含有大量的聚乙烯,可降解性较差,从而在社会中产生有色污染垃圾,对社会环境造成直接污染,严重影响了社会环境的建设。结合以上对高分子材料的危害的分析,提出高分子在现代建筑材料中回收利用的分析措施,实现高分子在建筑材料中应用的进一步探究。 2建筑材料中废旧高分子的回收利用 2.1建筑材料墙体的应用 高分子在建筑材料中的应用,可以作为建筑材料墙体,高分子转换为玻璃塑料混合墙体,高分子的主要材质中塑料可以到达塑性的作用,从而实现建筑材料的外部形态结构得到稳固,大大提高了现代建筑墙体的稳定性和固定性,此外,高分子制作的新型融合性结构中充分发挥高分子抗压,耐高温的特点,而新型建筑墙体中融合了玻璃材质,使废旧高分子转化后的建筑墙体可以达到比传统墙体建结构更加完善的建筑稳定性受压能力,为废旧高分子的二次利用提供了应用的新范围[2],为我国现代建筑行业的发展提供新的符合材料。 2.2金属橡胶混凝土 金属橡胶混凝土是现代建筑中应用的一种新型建筑材料,主要由不同硬度的金属,塑料、橡胶等部分组成[3]。金属橡胶混凝土的应用能够解决现代墙体建筑中存在的墙体裂缝等问题,可以提高施工建筑的密封性。例如:应用传统的建筑材料进行施工建筑中,施工材料受到墙体的压力或者温度的影响,容易出现墙体裂缝或者密封性降低的情况发生,导致建筑施工的质量出现问题,采用金属橡胶混凝土后,墙体施工后,应用新型混凝土对墙体建筑充的对接缝进行外部填充,新型混凝土中含水量较低,能够解决墙体施工建筑中施工开裂的问题,提高了现代建筑的施工质量。 2.3混合建筑保温层的转化 高分子材料在建筑应用材料中的回收利用,转化为混合建筑保温层,是直接的综合利用的体现。现代建筑中墙体保温层建筑是主要的建筑问题之一,传统的墙体保温层采用双层保温板,但保温板经过一段时间的应用后,受到墙体中水泥的侵蚀,使保温板的保温效果下降,用户入住后,一段时间后室内温度明显降低,房屋建筑的保温效果下降,高分子可以转化为泡沫保温层,新型高分子混合泡沫保温层的主要成分是塑料和橡胶,可以抵抗水泥长时间的形侵蚀,到达保证保温层长期持久豹纹的效果。此外,新型混合保温层具有较好的吸声作用,能够达到施工墙体建筑保温效果好的同时增强了墙体的隔音效果,完善我国建筑施工技术水平的进一步优化发展,实现废旧高分子的综合应用。 2.4新型防水符合材料 高分子材料在现代建筑领域的应用,为我国建筑施工的材料创新应用提供了更加全面的应用范围。高分子材料的应用,可以达到新型防水材料的使用。现代建筑施工中,采用硅酸水泥和粉煤灰以及聚乙烯作为主要的构成材料,新型防水材料的应用,可以实现外墙墙体建设与保温层之间的隔水性增强[4],能够打破传统墙体建筑保温层中保温层受到外部墙体渗水的影响情况,新型防水材料中聚乙烯可以使施工材料表面形成保护膜,达到及时阻隔外部墙体渗入到墙体中水分的作用,实现我国整体建筑施工墙体的防水性得到大大提高。例如;新型符合防水层可以将外部墙体渗入的水分进行阻隔,聚乙烯将深入的水分转接给粉煤灰,粉煤灰吸收水分,保持保温层的环境干燥,达到保护墙体保温性,延长墙体使用寿命的作用。 2.5复合地板的应用 高分子在建筑材料中的回收利用,体现为复合地板的应用,新型建筑材料的施工建筑具有加强的耐用性,复合地板的主要材料是由传统的木质材质和聚乙烯作为主要的材质,地板的木质材料保留了传统地板中木质地板材质问题,同时融合聚乙烯可以提高地板的防水性和耐磨性,表面的聚乙烯薄膜能够达到保护地板日常应用中与坚硬物体之间的摩擦痕迹,增强地板的耐磨程度;此外,新型符合地板可以保护地板不受到蛀虫的影响,延长地板在实际的使用寿命。 3结论 高分子是现代社会建设中经常应用的一种建筑材料,结合建筑材料对废旧高分子技术的探究分析,实现我国现代社会发展材料综合应用,促进我国现代社会发展资源的综合利用。 作者:陈玲琳 单位:湖北工业大学 高分子材料论文:建筑材料中废旧高分子材料回收及应用 1.我国废旧高分子材料回收的现状 对废旧高分子材料进行处理可谓是一把双刃剑,运用得好能够节约资源,保护环境,如果没能够处理好,就会给我们的生产生活带来一定的负面影响,甚至还会是出现毒有害现象。将废旧材料应用到建筑建设当中,既可以进一步降低高分子材料给我们的生产生活带来的影响,还可以为建筑工程提供更多更好的建筑材料的来源。随着科学技术的发展、社会的进步,会有更多新型的高分子材料问世,从而提高整个建筑行业的经济效益,实现环境效益、社会效益、环境效益的有机统一。我国处理废弃的高分子材料的技术还相对比较落后,绝大部分处理方法也只是简简单单的再生及复合再生。在这种情况下,大批量的废弃高分子材料就会被当成垃圾,随意丢弃,大量的废旧高分子材料给我们的日常生活带来了极大的影响,严重污染了我们的环境,例如:分散在土壤中塑料地膜,很容易导致土质板结,不利于农作物对氧、空气、水分、光的吸收;地面上飞散的薄膜碎片也容易导致相关建筑引起火灾;再降解的过程中,部分废旧高分子材料会释放对人们身体健康非常有害的毒素。现阶段,我们迫切需要处理好这些废旧的塑料、纤维、橡胶等问题。 2.废旧高分子材料在建筑材料中的应用 当今的世界是一个充满高分子材料的世界,我们在一方面享受高分子材料给我们的生产生活带来极大的便利的同时,还要考虑废旧高分子的处理问题。处理废旧高分子材料有益也有弊,废旧材料处理得好,则有利于降低高分子材料给我们带来的危害,不仅如此,还能够帮助我们降低生产生活成本;如果处理不好,就会危害环境,给我们的身体健康造成损害。将废旧高分子材料作为一种建筑材料,能够有效解决废旧材料无法处理的难题,一方面可以降低废旧高分子材料的危害,另一方为工程建设提供了一条新的建筑来源。随着科学技术的进一步发展,新型材料将会一项接着一项的问世,最终达到经济效益、环境效益和社会效益的统一。首先,废旧高分子材料在建筑当中可以当做墙体材料来应用。随着我国相关使用粘土砖禁令的进一步公布,我国建筑工程行业已经开始进一步加强了新型墙体材料的开发和应用,因此,回收废旧高分子材料具有非常重要的意义,极大的支持了墙体材料的进一步创新。现阶段,新墙体材料的相关技术已经日益成熟,并逐步应用到生产实际当中,与我们的生产生活密不可分,具体来说,主要包括以下几个方面:一是将塑料同玻璃有机结合成在一起形成的样品砖。现阶段,我国已经研制出了将玻璃和塑料复合而成的样品砖,这种样品砖并得到了极大的应用。二是金属橡胶混凝土。金属橡胶混凝土材料的性能较强,有利于解决混凝土的各种结构问题,例如我们通常见到的隔音差以及抗震性能不够等。三是聚苯乙烯泡沫塑料生产混凝土保温砌块。这种砌块的规模通常比较小,且具有很强的隔音效果以及抗压强度较高,属于高质量的、质量较轻的墙体材料。在实际工作过程中,砌块的聚苯乙烯泡沫塑料外部包裹的水泥浆层起着重要的骨架作用,因此,基本上泡沫塑料不受外力的作用。四是利用粉煤灰和废旧塑料制作成的建筑用瓦,这种瓦的研制,一方面能够极大的降低成本,另一方面还可以消除白色污染。五是充分利用废泡沫材料制作新型的保温砖,这种保温砖具有防火性能好、造价低廉等特点。 其次,废旧高分子材料在建筑装饰材料中的应用。每一个建筑材料中都不能缺少建筑材料,如果建筑当中缺乏装饰材料则会极大的影响我们日常的生产和生活,甚至还会对人们的身体健康带来极大的影响,更有甚至,还会引发重大的疾病。因此,我们可以将废旧高分子材料应用到建筑装饰材料中,一方面能够降低整个建筑的建设成本,另一方面还提高了安全性能,减少了环境污染,可以说是一举多得。具体来说,可以进行以下几个方面的运作:一是,充分利用废旧塑料来生产建筑装饰板材。现阶段,我国相关部门已经对这方面给予了研究,取得了一定的成绩。该技术的主要原理在于是用色素添加剂、废旧塑料、增强剂等原料,以重量为基本单位,现将废旧塑料清洗干净,将其晒干后,进行融化成为细颗粒,再次融化的同时,添加增强剂以及色素添加剂,并将其冷却成为我们需要的形状,在此基础上,涂上鲜艳的色彩,将其制作成成品。二是,利用废旧高分子材料制作组织燃烧的一种废旧材料。根据相关报道,通过在一些废旧塑料和锯粉末中加入一定添加剂的方式,可以制作有效阻止燃烧的一种建筑装饰材料。经过试验证实,这种材料的阻燃性非常强,因此,完全可以应用到建筑当中,一方面能够为建筑装饰建材提供更多的种类,另一方面还能够保护环境,为美化环境做贡献。再次,废旧高分子材料在其他建筑材料当中的应用。近些年来,废旧高分子材料逐步应用到建筑材料中得到了广泛的应用。具体来说,包括以下几个方面:一是废旧聚苯乙烯泡沫塑料和粉煤灰共同制造的防水材料。以普通硅胶为材料,添加少量防腐剂,从而形成质量良好的保温防水材料,该材料能够将防水和保温隔热有机的融为一体,该保温防水材料的强度较高、密度相对较低、保温隔热性能极好,可以说,是一个非常理想的屋面保温材料。二是,利用废聚烃类树脂生产塑料地板,现阶段,我国已经研究出该项产品,并取得了极大的成功。在世界塑料家族中,“PVC”的产量相对较高,制品也比废品相对较多。由于“PVC”是一种含卤物质,因此,想要回收该材料受到很多因素的限制,运用这项技术能够生产出很多建筑材料产品,我们常见的有用废农膜、碳酸钙、润滑剂、稳定剂、色浆适量,经混合、密炼等一系列加工可制成塑料地板。总而言之,废旧高分子材料在建筑当中的应用,一方面降低了建筑的建设成本,另一方面还保护了环境,可以说是,一举多得。近些年来,我国对该方面的研究,也取得了一定的成效,并获得了极大的成功。 3.结语 随着我国社会的发展,废旧高分子材料的应用范围越来越广,这些废旧材料应用到建筑当中已经成为了大势所趋。正因如此,我们应当予以高度的重视。在日常的生活和工作中,进一步加强该项工作的研究,相关部门应当进一步加大资金投入力度,组织科研人员进行研究,为建设资源节约型、环境保护型社会努力。 作者:聂芹 胡冰峰 单位:江西现代职业技术学院