物理粒子

2024-06-30

物理粒子（精选九篇）

物理粒子篇1

1 硬件系统的搭建

在本计算机集群中, 每个节点 (服务器) 的作用不是完全一样的, 按功能可以分为六类:分别是用户登录节点 (Gateway Node) 、核心管理节点 (Center Management Node) 、作业调度节点 (PBS server Node) 、作业提交节点 (User Node) 、计算节点 (Compute Node) 和存储节点 (Storage Node) 。如图所示:

用户登录节点 (hostname:lxplus01) :是集群的网关、计算集群的入口。外网用户首先远程登录Gateway Node, 再由它登录到其他节点, 这样能在物理层将外网和内网分隔开, 保证集群系统的安全性;核心管理节点 (hostname:CS) :为计算机群提供基本的网络服务和管理功能, 如DNS、NFS、NTP、DHCP、LDAP等等。本集群的核心节点同时提供安装集群的各种软件。包括操作系统、应用软件和管理脚本。核心管理节点是集群系统最关键的节点, 所以我们对其做了硬盘冗余设置;作业调度节点 (hostname:pbssrv) :作业管理系统PBS (Portable Batch System) 就安装在本节点上, 通过PBS作业调度管理, 可以对集群系统的资源进行有效的分配、监测和控制;登陆节点 (hostname:sl01-sl03) :是用户登录计算集群并提交作业的节点。用户远程登录slxx, 会被随机分配到sl01-sl03节点。这样可以提高用户提交作业的效率, 也便于以后扩展计算资源;计算节点 (hostname:cu101-cu116) :是整个集群的计算节点, 他的功能就是执行计算。存储节点 (hostname:hepgdata/d1-d6) :它是集群系统的数据存储器和数据服务器。存储节点的功能主要是存储并行程序中所需要的大量数据。本集群磁盘阵列在做完raid05之后, 存储能力可以达到80TB。

以上对集群节点的划分并不是一成不变的。根据实际的需要, 有时可以将管理节点、登录节点、调度节点放到同一个服务器上。一般而言, 单台服务器承担的负载越多效率会越低, 而服务器过多又会造成对资源的浪费。所以应该在搭建集群系统前, 对所需的计算资源做好科学的规划。

2 软件系统的搭建

2.1 操作系统:

操作系统的功能是对计算机硬件资源的管理、向用户提供编程接口和交互操作界面的软件、控制输入和输出设备、管理内存和配置文件系统等, 同时操作系统支持多种高级语言和各种类型的应用程序。linux操作系统依靠其强大的功能和稳定性, 在计算集群操作系统中占据着主导地位。本集群使用的是由费米国家加速器实验室和欧洲核子中心 (CERN) 等共同开发的scientific linux6.3操作系统。Scientific linux系统被广泛的应用于高能物理的科研和教育领域, 能够很好兼容和支持高能物理常用的应用软件。在CS核心服务器安装系统和网络配置完成之后, 利用CS服务器上NFS服务器功能, 建立共享目录/hep/sl-repo/6.3/x86_64/, linux安装程序就保存在此共享目录之下。其他所有服务器就可以通过NFS server提供的共享目录来安装系统。只需要制作一个USB Flash drive, 并在安装时输入正确的安装路径boot:linux repo=nfs:172.16.52.252:/hep/sl-repo/6.3/x86_64/, 其他方法与磁盘安装相同。此方法最大的好处在于能够同时批量的安装系统。

2.2 CS管理系统:

CS核心服务器上配置有DNS、DHCP、LDAP、NTP服务器。他们共同承担着集群的管理和服务功能。CS服务器至少应配置两个网卡, 一个接外网, 实现DNS和NTP功能。另一个连接内网地址, 通过局域网实现对集群的管理。

DNS (Domain Name System) 服务器的查询流程:需要解析服务的Client先查看本机的/etc/hosts;若无结果, 则client查看本地的DNS缓存服务器。对于内网的节点, 只需要在/etc/hosts下添加IP和对应域名即可解析, 对于需要连接外网的服务器需要在DNS/var/named修改相应的A记录映射信息。

NTP (Network Time Protocol) 服务器为集群提供时间同步服务。如果计算刀片间时间不同步, 在实践中会出现丢失作业等错误。NTP server的配置文件是/etc/ntp.conf。用server参数设定上级时间服务器, 语法为:server?IP地址或域名[prefer];IP地址或域名就是我们指定的上级时间服务器, 如果Server参数最后加上prefer, 表示我们的NTP服务器主要以该部主机时间进行校准。我们将NTP server与210.72.145.44中国国家授时中心服务器和1.cn.pool.ntp.org连接, 提供NTP server的同步服务。而其他节点, 通过内网定期与NTP server进行时间同步即可。

基于LDAP的用户管理:LDAP是轻量目录访问协议, 英文全称是Lightweight Directory Access Protocol。LDAP是实现被称为目录服务的信息服务, 这种目录可以将储存在/etc下的group、passwd和shadow文件的信息存储到相关文件下。他就像一个电话簿一样存储用户的密码、用户组等信息。集群中有多台Linux服务器, 如果每台服务器都有自己独立的用户名和密码, 那么记忆和维护这些信息就非常困难。于是, 我们通过利用LDAP, 统一为所有的用户提供密码验证服务来解决这个问题。LDAP服务器的配置成功之后, 可以实现在集群中任一节点登录, 统一认证, 统一管理。这种单点登录, 统一认证的方式, 减轻了工作量, 同时也极大地保证了系统的安全性。

NFS (Net Work File System) :在集群系统中, 一些相同的软件需要安装在所有节点上, 由于节点之间是协同工作的, 节点间存在大量的数据共享, 没有必要在每一个节点上重复安装这些相同的软件。此外, 在执行并行作业的时候, 要求每一个节点都能访问到相应的可执行文件, 对这些可执行文件也需要做一个备份。NFS, 即网络文件系统, 是集群系统中解决上述问题的一个很有效方法。NFS是一种在Linux环境下通过网络共享文件的标准方式, 这种机制是经过网络将远程主机上的分区以及目录挂载到本地系统, 实现在网络平台上与其他人共享文件及目录。5在本集群中, CS核心管理节点作为NFS服务器, 其他节点作为NFS的客户端挂载文件系统。比如我们将/hep/home挂载到每个节点的/hep/home目录下, 这样每台节点都可以使用/hep/home目录下的ROOT V5.3和GEANT等软件。在客户端配置NFS的时候, 可以执行如下命令:vim/etc/fstab并在/etc/fstab文件中输入以下内容:IP:/hep/hep nfs bg, hard, intr, retry=600 0 0这样可以实现在启动时自动挂载NFS目录。

2.3 作业系统的构建:

PBS最初由NASA的Ames研究中心开发, 主要为了提供一个能满足异构计算网络需要的软件包, 用于灵活的批处理, 特别是满足高性能计算的需要, 如集群系统、超级计算机和大规模并行系统。PBS目前包括Open PBS, PBS Pro和Torque三个主要分支。本集群使用的是Torque。PBS组成分为:PBS_server服务器, PBS_sched调度器, PBS_mom执行器。6在管理节点 (pbssrv) 上安装pbs_server, 所有节点上安装pbs_mom, 所有计算节点 (cu101-cu116) 和提交节点 (slxx) 上安装PBS cleint。Server端配置成功之后, 启动pbs_server;pbs_sched;pbs_mom, 并把其写到/etc/rc.local里使其能开机自启动。PBS要正常工作, 还需要通过qmgr命令创建队列等设置。最后在计算节点启动pbs_mom, 把pbs_mom写入/etc/rc.local。PBS作业系统的使用方法是通过将作业脚本提交到PBS服务器和适当的队列, 由计算节点执行并返回结果。

3 网络系统的搭建

集群系统是多节点互联工作, 所以必须通过互联网将节点连接在一起。粒子物理计算集群的网络建设是基于万兆核心交换机和千兆网线互联。计算刀片之间是通过机箱内部交换模块实现万兆互联。节点的网络配置, 是通过DHCP服务器自动获取IP和DNS信息。DHCP服务器安装在CS上, 可以在配置文件/etc/dhcp/dhcpd.conf设置自动分配指定的IP地址给节点, 并且为了更好地管理IP地址, 我们又在网关上对IP地址和MAC地址进行了绑定。集群的网络地址可以分为外网地址和内网地址。所以在Gateway server和CS上, 需要至少有两个网卡, 分别连接内网和外网。而集群内部的节点, 只需配置内网地址即可。

4 总结

本文介绍了山东大学粒子物理计算集群的基本架构和搭建过程。在搭建过程中, 解决了集群的系统监控、用户管理、作业程序的实现、并行化的效率以及高速网络实现等难点, 同等计算能力下, 节约了计算成本和管理难度。同时积累了建设和管理经验, 为下一步集群的升级扩容创造了客观和主观条件。

参考文献

[1]BUYYA R.高性能集群计算:结构与系统 (第一卷) [M].北京:电子工业出版社, 2001.6.

[2]葛慧娟.基于linux操作系统的DNS服务器配置[D].西安电子科技大学, 2005.

[3]王嘉佳.基于目录服务的统一身份认证系统的研究与实现[D].北京交通大学, 2005.3.

[4]Callaghan, Brent NF S Illustrated[M].Massachusetts:AddisonWesley P ublishing Company, 1999.

粒子物理博士论文开题报告篇2

摘要 7-9

Abstract 9-11

第一章引言 16-27

1.1 研究背景和意义 16-23

1.1.1 溶质关联状态和分类 16-17

1.1.2 溶质关联状态的重要性 17-21

1.1.3 纳米受限空间导致的新现象 21-23

1.2 研究目的 23-24

1.3 研究方法 24-26

1.4 研究内容概述 26-27

第二章分子动力学方法介绍 27-43

2.1 引言 27-28

2.2 分子动力学方法介绍 28-41

2.2.1 什么是分子动力学方法 28

2.2.2 分子动力学方法的优缺点 28-29

2.2.3 分子动力学的流程 29

2.2.4 力场的描述 29-34

2.2.4.1 成键相互作用 29-31

2.2.4.2 非成键相互作用 31-34

2.2.5 蛙跳算法 34

2.2.6 控温算法 34-37

2.2.6.1 Berendsen 控温方法 34-36

2.2.6.2 Velocity-rescale 控温方法 36

2.2.6.3 Nose-Hoover 控温方法 36-37

2.2.7 压力控制方法 37-38

2.2.7.1 Berendsen 控压方法 37-38

2.2.7.2 Parrinello-Rahman 控压方法 38

2.2.8 色散修正 38-41

2.2.8.1 能量项的修正 39-40

2.2.8.2 位力和压力修正 40-41

2.3 水模型 41-43

第三章受限空间中的双亲分子的自组装理论 43-53

3.1 引言 43

3.2 非受限空间中团簇的吉布斯自由能 43-49

3.2.1 经典成核理论 43-44

3.2.2 Chandler 的自组装团簇理论 44-46

3.2.3 我们给出的团簇吉布斯自由能 46-49

3.3 受限空间中双亲分子的吉布斯自由能 49-51

3.4 受限空间效应的再讨论 51-53

第四章纳米受限空间中双亲分子溶液的相变 53-78

4.1 引言 53

4.2 受限空间戊醇，己醇溶液的分子动力学模拟研究 53-65

4.2.1 受限空间中戊醇分子的动力学过程 53-62

4.2.1.1 系统介绍 53-54

4.2.1.2 模拟参数设置 54-55

4.2.1.3 团簇识别方法介绍 55

4.2.1.4 不同溶质数目下的溶质关联现象 55-58

4.2.1.5 聚集态中团簇的结构描述 58-60

4.2.1.6 分散态的性质 60-62

4.2.1.6.1 溶质的局域浓度分布 60-61

4.2.1.6.2 溶质周围水分子的密度分布 61-62

4.2.2 受限空间中己醇分子的动力学过程 62

4.2.3 受限空间的尺度效应 62-65

4.3 受限空间戊醇，己醇溶液相变的理论解释 65-78

4.3.1 理论与模拟的对接方法介绍 65-67

4.3.2 戊醇分子理论与模拟的对接 67-75

4.3.2.1 戊醇分子相关参数的确定 67-68

4.3.2.2 戊醇分子理论拟合曲线 68-69

4.3.2.3 不同关联状态的自由能图 69-71

4.3.2.4 理论曲线对于参数的敏感性 71-72

4.3.2.5 理论模型在其它体积下的预测 72-75

4.3.3 己醇分子理论与模拟的对接 75-78

4.3.3.1 己醇分子相关参数的确定 75-76

4.3.3.2 己醇分子理论拟合曲线 76-78

第五章纳米受限双亲分子自组装理论向宏观情况的推广和验证 78-85

5.1 引言 78

5.2 临界成核数目和成核能垒 78-79

5.3 我们的双亲分自组装理论向宏观情况的推广 79-85

5.3.1 醇类分子临界成核数目和成核能垒的预测 79-85

5.3.1.1 醇类分子的相关参数求解 79-83

5.3.1.2 醇类分子临界成核数目的成核能垒 83-85

粒子物理计算集群的搭建篇3

关键词：高性能计算集群；PBS

集群（cluster）技术是指通过互联网络将计算机集合在一起，通过并行处理技术，根据一定规则把一个大的问题分解为小的子问题，在集群不同节点上共同完成计算，从而大大降低计算时间。集群可以分为3类：高可用性集群，负载均衡集群，高性能计算集群。高性能计算集群主要用于处理复杂的科学计算问题，应用在需要大规模科学计算的环境中。高能物理计算、生物计算等，性能集群上运行的应用程序一般使用并行算法，把一个大的普通问题根据一定的规则分解成许多小的子问题，集群内的不同节点上并行计算，从而大大提高计算速度。高能物理实验中，会产生大量的数据需要处理，非常依赖高性能计算集群的帮助。我们结合山东大学粒子物理的实验需要，组建了包含320核CPU和80TB存储能力计算集群。依靠PBS（Portable Batch System）经过测试，能够很好地满足现有粒子物理实验的需要。高性能计算集群的组成包含硬件系统、软件系统和网络环境三大部分。下面我们将分别介绍三大系统的搭建策略。

1 硬件系统的搭建

在本计算机集群中，每个节点（服务器）的作用不是完全一样的，按功能可以分为六类：分别是用户登录节点（Gateway Node）、核心管理节点（Center Management Node）、作业调度节点（PBS server Node）、作业提交节点（User Node）、计算节点（Compute Node）和存储节点（Storage Node）。如图所示：

用户登录节点（hostname：lxplus01）：是集群的网关、计算集群的入口。外网用户首先远程登录Gateway Node，再由它登录到其他节点，这样能在物理层将外网和内网分隔开，保证集群系统的安全性；核心管理节点（hostname：CS）：为计算机群提供基本的网络服务和管理功能，如DNS、NFS、NTP、DHCP、LDAP等等。本集群的核心节点同时提供安装集群的各种软件。包括操作系统、应用软件和管理脚本。核心管理节点是集群系统最关键的节点，所以我们对其做了硬盘冗余设置；作业调度节点（hostname：pbssrv）：作业管理系统PBS（Portable Batch System）就安装在本节点上，通过PBS作业调度管理，可以对集群系统的资源进行有效的分配、监测和控制；登陆节点（hostname：sl01-sl03）：是用户登录计算集群并提交作业的节点。用户远程登录slxx，会被随机分配到sl01-sl03节点。这样可以提高用户提交作业的效率，也便于以后扩展计算资源；计算节点（hostname：cu101-cu116）：是整个集群的计算节点，他的功能就是执行计算。存储节点（hostname：hepgdata/d1-d6）：它是集群系统的数据存储器和数据服务器。存储节点的功能主要是存储并行程序中所需要的大量数据。本集群磁盘阵列在做完raid05之后，存储能力可以达到80TB。

以上对集群节点的划分并不是一成不变的。根据实际的需要，有时可以将管理节点、登录节点、调度节点放到同一个服务器上。一般而言，单台服务器承担的负载越多效率会越低，而服务器过多又会造成对资源的浪费。所以应该在搭建集群系统前，对所需的计算资源做好科学的规划。

2 软件系统的搭建

2.1 操作系统：操作系统的功能是对计算机硬件资源的管理、向用户提供编程接口和交互操作界面的软件、控制输入和输出设备、管理内存和配置文件系统等，同时操作系统支持多种高级语言和各种类型的应用程序。linux操作系统依靠其强大的功能和稳定性，在计算集群操作系统中占据着主导地位。本集群使用的是由费米国家加速器实验室和欧洲核子中心（CERN）等共同开发的scientific linux6.3操作系统。Scientific linux系统被广泛的应用于高能物理的科研和教育领域，能够很好兼容和支持高能物理常用的应用软件。在CS核心服务器安装系统和网络配置完成之后，利用CS服务器上NFS服务器功能，建立共享目录 /hep/sl-repo/6.3/x86_64/ ，linux安装程序就保存在此共享目录之下。其他所有服务器就可以通过NFS server提供的共享目录来安装系统。只需要制作一个USB Flash drive，并在安装时输入正确的安装路径boot： linux repo=nfs：172.16.52.252：/hep/sl-repo/6.3/x86_64/，其他方法与磁盘安装相同。此方法最大的好处在于能够同时批量的安装系统。

2.2 CS管理系统：CS核心服务器上配置有DNS、DHCP、LDAP、NTP服务器。他们共同承担着集群的管理和服务功能。CS服务器至少应配置两个网卡，一个接外网，实现DNS和NTP功能。另一个连接内网地址，通过局域网实现对集群的管理。

DNS（Domain Name System）服务器的查询流程：需要解析服务的Client先查看本机的 /etc/hosts；若无结果，则client查看本地的DNS缓存服务器。对于内网的节点，只需要在 /etc/hosts下添加IP和对应域名即可解析，对于需要连接外网的服务器需要在DNS /var/named 修改相应的A记录映射信息。

NTP（Network Time Protocol）服务器为集群提供时间同步服务。如果计算刀片间时间不同步，在实践中会出现丢失作业等错误。NTP server的配置文件是/etc/ntp.conf。用server参数设定上级时间服务器，语法为：server？ IP地址或域名 [prefer] ；IP地址或域名就是我们指定的上级时间服务器，如果 Server 参数最后加上 prefer，表示我们的 NTP 服务器主要以该部主机时间进行校准。我们将NTP server与210.72.145.44 中国国家授时中心服务器和1.cn.pool.ntp.org连接，提供NTP server的同步服务。而其他节点，通过内网定期与NTP server进行时间同步即可。

基于LDAP的用户管理：LDAP是轻量目录访问协议，英文全稱是Lightweight Directory Access Protocol。LDAP是实现被称为目录服务的信息服务，这种目录可以将储存在 /etc 下的group、passwd和shadow文件的信息存储到相关文件下。他就像一个电话簿一样存储用户的密码、用户组等信息。集群中有多台Linux服务器，如果每台服务器都有自己独立的用户名和密码，那么记忆和维护这些信息就非常困难。于是，我们通过利用LDAP，统一为所有的用户提供密码验证服务来解决这个问题。LDAP服务器的配置成功之后，可以实现在集群中任一节点登录，统一认证，统一管理。这种单点登录，统一认证的方式，减轻了工作量，同时也极大地保证了系统的安全性。

NFS（NetWork File System）：在集群系统中，一些相同的软件需要安装在所有节点上，由于节点之间是协同工作的，节点间存在大量的数据共享，没有必要在每一个节点上重复安装这些相同的软件。此外，在执行并行作业的时候，要求每一个节点都能访问到相应的可执行文件，对这些可执行文件也需要做一个备份。NFS，即网络文件系统，是集群系统中解决上述问题的一个很有效方法。NFS 是一种在Linux 环境下通过网络共享文件的标准方式，这种机制是经过网络将远程主机上的分区以及目录挂载到本地系统，实现在网络平台上与其他人共享文件及目录。5在本集群中，CS核心管理节点作为NFS服务器，其他节点作为NFS的客户端挂载文件系统。比如我们将 /hep/home 挂载到每个节点的 /hep/home 目录下，这样每台节点都可以使用 /hep/home目录下的ROOT V5.3和GEANT等软件。在客户端配置NFS的时候，可以执行如下命令：vim /etc/fstab 并在/etc/fstab 文件中输入以下内容：IP：/hep /hep nfs bg，hard，intr，retry=600 0 0这样可以实现在启动时自动挂载NFS目录。

2.3 作业系统的构建：PBS最初由NASA的Ames研究中心开发，主要为了提供一个能满足异构计算网络需要的软件包，用于灵活的批处理，特别是满足高性能计算的需要，如集群系统、超级计算机和大规模并行系统。PBS目前包括OpenPBS， PBS Pro和Torque三个主要分支。本集群使用的是Torque。PBS组成分为：PBS_server服务器，PBS_sched调度器，PBS_mom执行器。6在管理节点（pbssrv）上安装pbs_server，所有节点上安装pbs_mom，所有计算节点（cu101-cu116）和提交节点（slxx）上安装PBS cleint。Server端配置成功之后，启动pbs_server； pbs_sched； pbs_mom，并把其写到/etc/rc.local里使其能开机自启动。PBS要正常工作，还需要通过qmgr命令创建队列等设置。最后在计算节点启动pbs_mom ，把pbs_mom写入/etc/rc.local。PBS作业系统的使用方法是通过将作业脚本提交到PBS服务器和适当的队列，由计算节点执行并返回结果。

3 网络系统的搭建

集群系统是多节点互联工作，所以必须通过互联网将节点连接在一起。粒子物理计算集群的网络建设是基于万兆核心交换机和千兆网线互联。计算刀片之间是通过机箱内部交换模块实现万兆互联。节点的网络配置，是通过DHCP服务器自动获取IP和DNS信息。DHCP服务器安装在CS上，可以在配置文件 /etc/dhcp/dhcpd.conf 设置自动分配指定的IP地址给节点，并且为了更好地管理IP地址，我们又在网关上对IP地址和MAC地址进行了绑定。集群的网络地址可以分为外网地址和内网地址。所以在Gateway server和CS上，需要至少有两个网卡，分别连接内网和外网。而集群内部的节点，只需配置内网地址即可。

4 总结

本文介绍了山东大学粒子物理计算集群的基本架构和搭建过程。在搭建过程中，解决了集群的系统监控、用户管理、作业程序的实现、并行化的效率以及高速网络实现等难点，同等计算能力下，节约了计算成本和管理难度。同时积累了建设和管理经验，为下一步集群的升级扩容创造了客观和主观条件。

参考文献：

[1]BUYYA R.高性能集群计算：结构与系统（第一卷）[M].北京：电子工业出版社，2001.6.

[2]葛慧娟.基于linux操作系统的DNS服务器配置[D].西安电子科技大学，2005.

[3]王嘉佳.基于目录服务的统一身份认证系统的研究与实现[D].北京交通大学， 2005.3.

[4]Callaghan， Brent NF S Illustrated [M]. Massachusetts： Addison - Wesley P ublishing Company， 1999.

[5]Troque Administrators Guide， Cluster Resources， Inc， 2008.

美物理学家发现“双奇异”夸克粒子篇4

该双奇异粒子的发现能让科学家更好、更准确地理解夸克怎样形成物质, 也使得“重子周期表”更为完善。DZero合作组发言人、费米实验室的德米特里·丹尼斯说:“这个双奇异重子的发现是夸克模型的另一重大胜利。通过对该粒子的质量、产生和衰减特性的测量将使我们能更好地理解将夸克紧密相连的强力。”

现代物理学认为, 夸克是物质的基本组成部分, 有6种, 即上、下、奇异、粲、顶和底夸克。重子由三个夸克组成, 是构建物质的基石, 最为人所知的重子是原子核中的质子与中子。虽然质子与中子构成了现今的大部分已知物质, 但在天地之初, 大爆炸之后不久的宇宙却充斥着由更重夸克所组成的重子, 因此, 研究重子相当重要。

1961年, 理论学家默里·盖尔曼和伊薇尔·尼尔曼以及乔治·兹韦格提出了夸克模型, 在该模型中, 上、下、奇异和底4个夸克能组合成20种不同的自旋1/2重子, 科学家现已观察到了其中的1 3种。

物理粒子篇5

在匀强磁场中粒子源问题一直是个难点，对于解决此类问题障碍往往是由于不能准确确定运动的轨迹，找不准半径与给定长度之间的几何关系。而解决此类问题时，画轨迹这一关是大多数学生最大的障碍。下面结合粒子源在不同边界磁场中不同位置问题的解决，来体会利用半圆法找寻粒子源轨迹。

例

1、如图所示，在x轴的上方（y≥0）存在着垂直于纸面向里的匀强磁场，磁感应强度为B．在原点O有一个粒子源向x轴上方的各个方向发射出质量为m、电量为q的正离子，速率都为v．对那些在xy平面内运动的离子，在磁场中可能到达的最大y= ____，最大x=____．

解析：设粒子的发射速度为v,粒子做圆周运动的轨道半径为R，由牛顿第二

v2mv定律和洛仑兹力公式：Bqvm 得：R

BqR让粒子向x轴正向发射，并作出半圆Ⅰ，然后让粒子发射的方向逆时针转动，同时半圆也就同方向改变，结合题意画出半圆Ⅱ。由图可得：ymax2R2mvmv

xmax2R2 BqBq2例

2、如图所示，在真空中坐标xoy平面的x0区域内，有磁感强B1.010T，0)点，有一放射源，在xoy平的匀强磁场，方向与xoy平面垂直，在x轴上的p(10面内向各个方向发射速率v1.010m/s的带正电的粒子，粒子的质量为

4/cm m1.61025kg，电量为q1.61018C，求带电粒子能打到y轴上的范围．

解析：设粒子的发射速度为v，粒子做圆周运动的轨道半径为R，由牛顿第二定律

/cm

v2和洛仑兹力公式：Bqvm，则

Rmv1.610251.0104R0.1m10cm． 218Bq1.0101.610让粒子向x轴负向发射，并作出半圆Ⅰ，然后让粒子发射的方向逆时针转动，同时半圆也就同方向改变，结合题意画出半圆Ⅱ。如图所示，带电粒子的半圆Ⅰ轨迹正好与y轴下方相切于Ｂ点时，Ｂ点为粒子能打到y轴下方的最低点，得：OBR10cm．

带电粒子的半圆Ⅱ打到y轴上方的A点与P连线正好为其圆轨迹的直径时，A点为粒子能

用心

爱心

专心 1 打到y轴上方的最高点．因OpR10cm，AP2R20cm，则OAAPOP103cm．

综上，带电粒子能打到y轴上的范围为：10cmy103cm． 22例

3、如图所示，在0≤x≤a、0≤y≤

a范围内有垂直于xy平面2向外的匀强磁场，磁感应强度大小为B，坐标原点O处有一个粒子源，在某时刻发射大量质量为m、电荷量为q的带正电粒子，它们的速度大小相同，速度方向均在xy平面内，与y轴正方向的夹角分布在0～90°范围内，已知粒子在磁场中做圆周运动的半径介于a/2到a之间，从发射粒子到粒子全部离开磁场经历的时间恰好为粒子在磁场中做圆周运动周期的四分之一，求最后离开磁场的粒子从粒子源射出时的（1）速度的大小；

（2）速度方向与y轴正方向夹角的正弦.解析：设粒子的发射速度为v,粒子做圆周运动的轨道半径为R，由牛顿第二定律和洛仑兹力v2公式，得 Bqv=m

R由①式得

R ①

Bq②

让粒子向y轴正向发射，并作出半圆，然后让粒子发射的方向顺时针转动，同时半圆也就同方向改变，当a/2＜R＜a时,在磁场中运动时间最长的粒子，其轨迹是圆心为C的半圆Ⅰ，半圆与磁场的上边界相切于D点，右边界相交于A点。

设该粒子在磁场运动的时间为t,依题意t=T/4，得 ∠OCA=



2③

设最后离开磁场的粒子的发射方向与y轴正方向的夹角为θ，由几何关系可得 Rsinθ=R－2a 2 ④

Rsinθ+Rcosθ= a ⑤

⑦

又 sinθ+cos2θ=

1由④⑤⑥式得

R=2⑥

6a

26aqB由②⑦式得

v=2m

2由④⑦式得

sinθ= ⑧

66

10⑨

例

4、半径为r10cm的匀强磁场区域边界跟y轴相切于坐标原点O，y用心

爱心

专心

so 2 x磁感强度B0.332T，方向垂直纸面向里．在O处有一放射源S，可向纸面各个方向射出速度为v3.210m/s的粒子．已知6粒子质量m6.641027kg，电量q3.21019C，求出粒子通过磁场空间的最大偏角．

解析：设粒子的发射速度为v,粒子做圆周运动的轨道半径为R，由牛顿第v2二定律和洛仑兹力公式，得Bqvm

Rmv6.6410273.2106Rm0.20m20cm 19Bq0.3323.210让粒子向y轴负向发射，并作出半圆，然后让粒子发射的方向逆时针转动，同时半圆也就同方向改变，由于速度偏转角总等于其轨道圆心角．在半径R一定的条件下，为使粒子速度偏转角最大，即轨道圆心角最大，应使其所对弦最长．显然最长弦应为匀强磁场区域圆的直径．即粒子应从磁场圆直径的A端射出．结合题意画出半圆Ⅰ，由几何关系得：OBA600，即粒子穿过磁场空间的最大偏转角为600

总之粒子源在磁场中运动问题，我认为首先让粒子向一特殊方向发射，并作出半圆，然后让粒子的方向改变，同时半圆也就同方向改变，结合题意画出我们要解决问题的半圆，最后由几何关系解决此类问题。

用心

爱心

物理粒子篇6

在过去两年中，物理学家在理解宇宙基本法则方面取得了非凡进步，但在有关宇宙性质的很多方面依然觉得困惑。比如中微子的基本属性、暗物质和暗能量的所有性质等等问题至今仍保持神秘。而在去年7月发现与希格斯玻色子高度近似的新粒子并不断加深确认后，物理学家们提出了一个粒子物理学未来研究工作的20年展望，包括了今后要研究的宇宙问题框架。以下是问题简述：

（1）希格斯粒子与人们迄今为止所遇到的任何其他粒子都不同，它为何会不同？还有更多的不同之处吗？

（2）中微子非常轻、难以捉摸而且会在飞行中改变身份。怎样使这些特性符合我们对自然性质的理解？

（3）已知粒子占了宇宙中所有物质的1/6，剩下来的是暗物质。但它究竟是什么？我们能在实验室里探测到这些粒子吗？自然界还有其他未发现的粒子吗？

（4）自然界已知有四种力，它们能否统一成一种力的形式？还有其他科学家未曾预料的新力吗？

（5）时空中是否存在隐藏的新维度？

（6）大爆炸产生了物质和反物质，但我们今天的世界只由物质组成，为什么？

（7）宇宙的膨胀为何会加速？

“在粒子物理学领域有许多能量，也有大量的观点，”美国物理协会粒子与场分部主席乔纳森·罗斯纳说，“在过去的一年来，我们发现了希格斯玻色子，并在研究中微子方面取得了重要成果。但还有更多秘密等着发现。我们对宇宙物质和能量掌握的还不到5%，而在未来20年里，将有什么实验来帮助我们拓展这些知识呢？”

此外，会议报告也反映了科学家们的下一代观念，包括了对研究生、博士生和该领域年轻科研成员的调查结果，而他们将成为粒子物理学界的中流砥柱。“我们对近1000名年轻科学家进行了调查。” 美国锡拉丘兹大学研究人员乔纳森·阿萨迪说，“斯诺马斯进程还在计划下一代实验，其中许多长达10年之久。今天的决定将造就未来年轻科学家的职业，从现在开始他们将执行这些实验。”

物理粒子篇7

关键词：粒子图像测速 (PIV) ,砂箱物理模拟,变形机制,速度场

粒子图像测速技术 (PIV) 是20世纪80年代随着计算机技术、图像处理技术等发展起来的一种流动测量与显示技术, 它的基本原理是:通过在流场中布撒大量的示踪粒子, 把激光束经过组合透镜扩束成片光照明流场, 使用数字相机拍摄流场照片, 得到的前后两帧粒子图像, 对粒子图像进行互相关计算得到流场一个切面内定量的速度分布[1]。其特点在于它摆脱了以往单点测试的局限, 能够在不干扰测试对象的基础上实现全过程的动态测量, 并得到瞬时速度场的矢量值。

砂箱构造物理模拟实验可以直观地再现前陆褶皱冲断带的发生发展、继承与改造, 因而被国内外众多地质学者采用。根据研究对象的不同和研究思路的差异, 砂箱模拟实验可分为两类:机制模型实验和比例模型实验。前者是指针对抽象地质模型的实验模拟, 即采用正演的方式, 研究分析构造变形要素对变形机制的控制和影响[2];后者是指针对实际地质体的实验模拟, 即采用反演的方式, 通过研究某一区域的地质背景, 并结合概念模型实验的结果, 提出一个或多个地质模型, 反复实验直到与目标地质体相似, 以确定其成因机制和边界条件[3]。该文以机制模型的砂箱物理模拟实验为基础, 详细分析了粒子图像测速技术 (PIV) 应用的方法、过程和技巧, 模拟结果对于解译砂箱物质变形过程和机制具有重要意义。

1 实验设计

1.1 摩尔-库伦破裂准则

砂箱物理模拟实验表明, 造山带的演化遵循简单的临界楔理论, 即砂箱楔形体在挤压作用下逐渐积累, 并在一定条件下将达到临界状态。临界楔理论具有一定的假设前提: (1) 较低或可忽略的内聚力强度和符合Coulomb破裂准则; (2) 均值且各向同性的砂体特性; (3) 均值摩擦底界特性; (4) 砂箱物质和温度等属性不随时间变化。一般而言, 楔形体遵循如下公式:

式中, μb为基底摩擦系数;φ为砂箱物质内摩擦角。

1.2 实验模型

实验所采用的平台为南京大学设计研发的构造物理模拟实验平台, 该平台可以模拟挤压、拉张、走滑等各类构造运动。实验材料采用干燥纯白石英砂, 该石英砂粒径为0.2~0.4 mm, 内摩擦角为29°~31°, 内摩擦系数约为0.55, 经大量实验验证是模拟地壳浅层脆性变形的理想材料[3]。物理模拟实验的相似性主要是几何学、运动学、动力学三方面的相似。此次实验共相似初始边界条件, 石英砂从下到上厚度分别为15 mm、10 mm、10 mm, 中间以纯红、蓝干燥石英砂作为标志层, 表面以纯干燥绿色石英砂做标志层。实验采取左端电缸不动, 通过启动右端电缸作水平单侧向活动, 对砂箱水平砂层施加挤压变形, 挤压速度为V=0.005 mm/s。每次挤压缩的位移量D=500 mm。挤压过程中每挤压1 mm进行相机的拍照记录, 粒子图像测速系统 (PIV) 对砂箱楔形体的整个变形过程做全程监测。

2 实验处理

2.1 演化特征研究

实验结束得到照片记录300张, 根据其演化过程和最终构造样式, 选取关键点作为处理对象。砂箱挤压初始阶段, 砂箱剖面上表现为一个平顶背斜的发育。随后砂箱剖面产生连续的三条前展式逆冲断层, 断层间距较小且产状一致。伴随着挤压作用的进行楔形体很快达到临界挤压状态。第二阶段, 挤压作用继续进行, 砂箱剖面发育第四条逆冲断层, 且由于砂体后缘的积累导致前缘扩展区发生剪破裂, 因而与先存断层的间距明显增大, 并在随后的变形过程中, 该条逆冲断层表现为典型的无序冲断作用, 即断层并非一直逆冲达到临界状态, 而是与第三条逆冲断层交替发育, 共同调节着砂箱楔形体的稳态。第三阶段至挤压终点, 砂体前缘发育第五条逆冲断层, 且在其发育过程中, 先存断层四继续活动, 表现出主控主控断层特征。而该逆冲断层的反冲断层同样错切先存断层, 导致第二个冲起构造更大的抬升。最终砂箱剖面共发育5条逆冲断层, 砂箱楔形体表现为“窄而厚”的几何特征。

2.2 粒子图像处理

选取对应关键点的粒子图像记录是深入分析砂箱楔形体演化过程的前提条件。对于图像测速系统 (PIV) 储存的记录, 进行速度矢量图的批量处理, 速度场突变界限与形变节点具有高度一致性, 因此特别要注意那些发生形变时对应的图像[4]。打开系统自带的Micro Vec3软件后, 首先打开标尺照片, 画定标尺和即将处理的对象区域, 然后输入标尺 (单位为毫米) 后点击图像放大率进行像素设定。设定完成后便可开始PIV图像的计算:打开图像序列, 导入关键点附近的PIV照片 (一次可导入32张) , 并进行二次迭代。由于综合了互相关计算以及图像偏置技术二者特点, 迭代算法结果比没有迭代的计算结果更为精确, 一般经过二次迭代即判断区像素变化为32→16。迭代完成之后, 通过窗口2选择计算帧数 (可以逐个计算也可以间隔计算) , 得到PIV预处理图像。点击保存为数字格式 (.dat) 文件。

PIV预处理的图像可经过Tecplot二次处理:打开Tecplot软件, 选择描绘工具后成图, 在这里可设置速度场的向量大小及密度。需要注意的是, 向量的调整尽量保持横向与纵向的一致性, 以保证图像的清晰和美观, 但不可忽略关键变形点的向量[5]。同样可在数字工具栏下设定标尺的单位, 单位一般以毫米计。标尺的长度及大小可在颜色工具栏下进行设定, 以达到每幅图片标尺的一致性。点击三维图像设定可完成图像由二位向三维的转换。

对比得到的PIV粒子图像与砂箱演化照片记录可知:在第一阶段由于后侧挡板的约束作用, 砂箱物质迅速挤压并逆冲, 粒子速度场保持一致的动态特征, 直到砂箱楔形体达到初始临界状态。第二阶段, 由于逆冲作用在砂体前缘产生第四条逆冲断层, 而此时前三条逆冲断层速度场并未发生较大变化, 表明应力-应变集中在砂体破裂前缘。第三阶段开始至挤压作用结束, 粒子速度场发生较杂乱的变化, 与第四条逆冲断层的无序冲断作用高度吻合。

3 结语

该文通过采用均一介质条件下的砂箱物理模拟实验模型, 详细介绍了粒子图像测速技术 (PIV) 在砂箱模拟实验中的应用和技巧, 解译了PIV技术与砂箱物质变形过程和构造样式的相关性。实验表明:砂箱速度场突变界限与断层发育具有高度一致性, 速度矢量与砂箱介质运动学共同揭示了砂箱楔形体动态变性特征。

参考文献

[1]沈礼, 贾东, 尹宏伟, 等.基于粒子成像测速 (PIV) 技术的褶皱冲断构造物理模拟[J].地质论评, 2012, 58 (3) :471-480.

[2]周建勋, 魏春光, 朱战军.基底收缩对挤压构造变形特征影响-来自砂箱实验的启示[J].地学前缘, 2002, 9 (4) :377-382.

[3]单家增.构造模拟实验在石油地质学中的应用[M].北京:石油工业出版社, 1996:1-22.

[4]董周宾, 颜丹平, 张自力, 等.基于粒子图像测速系统 (PIV) 的砂箱模拟实验方法研究与实例分析[J].现代地质, 2014, 28 (2) :321-330.

物理粒子篇8

(一) 经典物理中的粒子与波

在经典物理中, 一般认为波和粒子存在着巨大的差别, 那么这两者之间的不同之处到底在什么地方呢?

在经典物理中, 一般认为粒子是在空间中独立离散的存在的物质, 并且具有一定大小和质量, 比如电子的质量为9.10938215 (45) ×10-31千克, 虽然很小, 但是我们可以通过实验间接地测量出来。此外, 当粒子在某一方向上受到力的作用时, 该粒子的速度大小会发生改变, 也就是说, 力在此时起到了阻碍或者加速运动的作用, 改变了粒子的运动状态。而当两个粒子碰撞时, 会产生动量的交换, 若是在非弹性碰撞的条件下, 还会有动能的损失。

与粒子不同, 波是振动的传播, 一般分为两种, 一种是要依靠介质而存在的机械波, 另一种为不需要介质也可以存在的电磁波, 两者都无法在空间中占据一定的体积, 因此也没有质量这个概念。由于波是一直运动着的, 因此无法相对于某一参考系保持相对静止状态, 虽然波一直在保持运动, 但是其运动状态又与粒子的运动存在着非常大的不同。

(二) 量子力学中的波粒二象性

通过上节的描述和对比, 我们发现波和粒子无论在存在形式还是运动状态上, 都存在着明显的不同, 这也就是说在经典力学中, 波和粒子是完全不同的两个物理现象。接下来我们再来讨论一下在量子力学中, 波粒二象性在哪些方面体现了粒子的特征, 在哪些方面又体现了波的特征。

在量子力学中, 我们认为一切可承载能量的载体都是粒子, 比如说在经典物理范围内的粒子, 以及在量子力学中才体现出粒子性来的光子, 此时的粒子, 已不再要求其必须具有一定的体积和质量。

由于没有绝对的静止, 所以根据德布罗意的假设“实物粒子也具有波动性”可以推知, 一切的粒子都存在着波动, 从而经典物理中相对静止的观念不得不被放弃。在量子力学中, 一切的粒子的行为具有了波长, 频率, 但是此时的动量与能量的表达式为

其中为普朗克常量, 这是在经典物理中, 无论波还是粒子从未存在过的, 因为这两个公式将粒子运动独有而波动没有的动量, 波动独有的而粒子运动所没有的频率和波长统一了起来。由式子 (3) 可以看到, 由于在经典物理一般处理的是动量比较大的物质, 而普朗克常量又是一个很小的数值, 因此其波动性没能体现出来。虽然粒子运动时具有了波的行为, 会产生干涉和衍射现象, 比如劳厄衍射光栅实验以及戴维逊和汤姆逊利用晶体所做的电子束衍射实验所验证的那样, 但是, 在受到力或者与其他粒子相互作用时, 粒子依然保持着经典物理中粒子的特点, 其运动状态 (比如说动量和能量) 依然会发生改变, 比如在康普顿实验中我们知道, 经过石墨散射后的X射线的波长会变长, 能量相应的也会发生变化, 这就使我们不得不放弃经典物理中波的传播速度和频率不会改变的法则。

通过以上讨论, 我们发现波粒二象性既没有完全采用粒子的全部性质, 也没有全部采用波的全部性质, 在存在形式上保留了粒子离散性的特点, 在运动形式上保留了波动的特点, 但是在受力或者与其他粒子相互作用时又保留了粒子的特点。除了在两个经典物理概念中各自继承的概念外, 还通过公式 (3) 、 (4) 等概念, 扩展了我们对物理学的认识, 公式 (3) , (4) 也是量子力学超越经典物理, 并将粒子性质与波动性质统一起来的关键点。

摘要：波粒二象性是量子力学中非常重要的概念之一, 本文通过对高中物理中所学到的经典物理中波和粒子这两个物理概念的的梳理与比较, 分析了该如何正确的理解波粒二象性这一概念。

关键词：波,粒子,经典物理,波粒二象性,量子力学

参考文献

物理粒子篇9

一、了解学生存在的差异

教师经常面对不同的班级,要有效地进行差异教学,首先必须主动测查和研究学生的差异。为了准确全面地了解学生,要采用多种途径,比如观察法、问卷、作业测验、谈话法等。针对不同的教学内容,可以通过不同的途径了解学生。

在《带电粒子在匀强磁场中的运动》教学中,可通过对学生以往相关作业质量的分析及预习学案的完成情况, 了解学生存在的差异。

案例:《带电粒子在匀强磁场中的运动》预习学案

练习1:杂技演员在做“水流星”表演时,用一根细绳系着盛水的杯子,抡起绳子,让杯子在竖直面内做圆周运动.杯内水的质量m=0.5kg,绳长l=60cm.求:(1)在最高点水不流出的最小速率。 (2)水在最高点速率v=3m/s时,水对杯底的压力大小。

练习2:电子以初速度V垂直进入磁感应强度为B的匀强磁场中,则()

A.磁场对电子的作用力始终不变。

B.磁场对电子的作用力始终不做功。

C.电子的动能始终不变。

问题1:通过预习本课内容后,你对其中的哪部分最感兴趣?

问题2:通过预习本课内容后,你最难理解的是哪部分?

二、加强课前铺垫辅导,缩小认知前提的差异

学生的学习是建立在一系列已有学习基础上的, 学习结果的差异往往是由学生在学习新任务开始时就已具有的差异造成的。按照布鲁姆的掌握学习理论,只要给学生提供必要的认知前提和积极的情感前提,并接受高质量的教学,那么学习成绩之间的差距就能缩小到10%。

在《带电粒子在匀强磁场中的运动》教学中,我们通过了解学生存在的差异, 基本摸清了学生对原有知识技能的掌握情况。在学习新课前,可以进行各种补救措施,比如可以通过同学间互助的形式,也可以通过教师个别辅导的形式,弥补学生在洛伦兹力及圆周运动两块知识上存在的知识缺陷, 尽量缩小学生间在认知前提上存在的差异, 让每个学生学习本节新课时都是有备而来。

三、教学目标的调整与生成

教师应尽可能制定有一定梯度、不同类型的目标,给学生选择的机会。无论对于哪些学生,为他们设立的目标都应在他们的“最近发展区”内,并且富有挑战性。教师应鼓励学生根据自己的情况,选择适合自己的挑战性学习目标。

案例:《带电粒子在匀强磁场中的运动》教学目标

1.基础目标。即所有学生都必须实现的目标 ,不能因为学生间的差异而降低要求。

理解运动电荷垂直磁感线飞入匀强磁场中做匀速圆周运动,能从洛伦兹力提供向心力开始推导出带电粒子做圆周运动的半径及周期,知道它们与哪些因素有关,并会用它们解答有关问题,从而培养学生严密的科学态度。

2.差异目标。

(1)大多数学生能理解质谱仪、回旋加速器的工作原理。

(2)能力强的学生会利用规律解决复杂的实际问题。

四、教学内容的差异性安排

教师调整和组织教学内容是为了满足不同学生学习和发展的需要,一定要给学生自主选择学习内容的机会,并指导学生选择对自己有挑战性的学习内容。

案例:《带电粒子在匀强磁场中的运动》教学内容

1.提供不同的学习起点 :学案上提供两个不同的情景 ,供学生选择。