2025年大學(xué)《物理學(xué)》專業(yè)題庫——超流動(dòng)現(xiàn)象及其在材料制備中的應(yīng)用考試時(shí)間：______分鐘總分：______分姓名：______一、選擇題（請(qǐng)將正確選項(xiàng)的代表字母填在題后括號(hào)內(nèi)）1.超流液氦（He-4）在低于其lambda點(diǎn)（Tλ）時(shí)表現(xiàn)出零粘滯性，其主要原因是（）。A.液氦原子全部變成了玻色子B.液氦原子之間的相互作用消失了C.出現(xiàn)了長(zhǎng)程有序的晶體結(jié)構(gòu)D.存在大量宏觀上相干的德布羅意波2.量子化渦旋在超流液氦中存在，其穿過液氦樣品的磁通量Φ等于h/2e，其中h為普朗克常數(shù)，e為基本電荷。這種現(xiàn)象主要?dú)w因于（）。A.超流液體的完全抗磁性B.超流液體的量子統(tǒng)計(jì)效應(yīng)（玻色-愛因斯坦統(tǒng)計(jì)）C.液氦原子間的強(qiáng)相互吸引力D.外加磁場(chǎng)對(duì)液氦分子的分解作用3.第二聲聲速（聲熱傳導(dǎo)）現(xiàn)象是超流液氦特有的熱力學(xué)現(xiàn)象，其產(chǎn)生的原因是（）。A.超流部分與正常部分之間存在熱力學(xué)勢(shì)壘B.熱量主要通過正常流部分傳導(dǎo)C.超流部分具有比正常部分更高的熱容量D.超流液體的零粘滯性導(dǎo)致熱量傳導(dǎo)方式特殊4.在超流液氦的相變過程中，從正常液態(tài)到超流態(tài)的轉(zhuǎn)變屬于（）。A.一級(jí)相變，有潛熱B.二級(jí)相變，無潛熱但有熱容躍變C.三級(jí)相變，熱容和膨脹系數(shù)連續(xù)變化D.不可逆相變，與路徑有關(guān)5.與超流He-4相比，超流He-3的超流機(jī)制更為復(fù)雜，其主要原因是（）。A.He-3是玻色子，He-4是費(fèi)米子B.He-3的臨界溫度遠(yuǎn)低于He-4C.He-3之間存在自旋交換作用D.He-3的正常態(tài)粘度隨溫度變化規(guī)律更簡(jiǎn)單二、填空題（請(qǐng)將答案填寫在橫線上）6.超流液氦的零粘滯性使得它可以__________，這是其最重要的特性之一。7.在外加磁場(chǎng)中，超流He-4可以被限制在磁通量量子Φ0=h/2e等分的渦旋線網(wǎng)絡(luò)中，這種現(xiàn)象稱為__________。8.超流液氦的lambda相變是一種__________相變，其特征是比熱容Cv在相變點(diǎn)Tλ處出現(xiàn)峰值。9.除了液氦，__________和__________在一定條件下也表現(xiàn)出超流性。10.超流液體的量子化渦旋具有確定的角動(dòng)量，其值為h/2，這體現(xiàn)了__________。三、簡(jiǎn)答題（請(qǐng)用簡(jiǎn)明扼要的語言回答下列問題）11.簡(jiǎn)述超流液氦（He-4）零粘滯性的物理圖像。為什么在宏觀尺度上能觀察到這種量子力學(xué)效應(yīng)？12.與普通流體相比，超流體的輸運(yùn)特性有何獨(dú)特之處？這種特性在微納流體力學(xué)或微加工中有何潛在應(yīng)用價(jià)值？13.解釋什么是“宏觀量子相干態(tài)”，并簡(jiǎn)述它與超流He-4的超流現(xiàn)象的關(guān)系。四、計(jì)算題（請(qǐng)列出必要的公式、方程和計(jì)算步驟）14.已知超流He-4在溫度T=1.0K時(shí)的超流fractions(λ(T))可以近似表示為λ(T)=(T/Tλ)^(1/4)，其中Tλ=2.17K。計(jì)算在此溫度下，超流部分的占比是多少？假設(shè)在T=0K時(shí)，超流部分占比為1。15.一個(gè)邊長(zhǎng)為L(zhǎng)的正方形液氦樣品，其中包含N根量子化渦旋。假設(shè)渦旋線之間的平均間距為a。估算樣品中總的磁通量Φ總量。已知單個(gè)渦旋攜帶的磁通量為Φ0=h/2e。五、論述題（請(qǐng)結(jié)合具體物理原理，展開論述）16.論述超流現(xiàn)象（特別是零粘滯性或量子化渦旋特性）如何影響或可用于精密材料制備過程，例如薄膜沉積、晶體生長(zhǎng)或微納結(jié)構(gòu)加工。請(qǐng)?jiān)敿?xì)說明其作用機(jī)制和潛在優(yōu)勢(shì)。17.超流液體的奇異特性（如零粘滯性、量子化渦旋）啟發(fā)了其在未來技術(shù)中的應(yīng)用，例如超導(dǎo)量子計(jì)算、無損旋轉(zhuǎn)傳感器、超流陀螺儀等。選擇其中一個(gè)應(yīng)用方向，詳細(xì)闡述其基本原理、面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)以及潛在的科學(xué)意義。試卷答案一、選擇題1.D2.B3.A4.B5.C二、填空題6.在沒有摩擦的表面無阻礙地流過7.磁通量量子化8.二級(jí)9.中子星內(nèi)芯、超導(dǎo)體中的庫珀對(duì)10.宏觀量子相干性三、簡(jiǎn)答題11.解析思路：超流He-4零粘滯性的物理圖像源于其“宏觀量子相干態(tài)”。在極低溫下，He-4原子構(gòu)成一個(gè)巨大的、波函數(shù)高度相干的量子系統(tǒng)。當(dāng)流體整體發(fā)生宏觀位移時(shí)，由于波函數(shù)的相干性，體系能量不會(huì)增加。粘滯性源于流體內(nèi)部不同部分間速度差異引起的能量耗散（動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能）。在超流態(tài)，這種速度差異的量子漲落被抑制，使得宏觀流動(dòng)幾乎不消耗能量。因此，在宏觀尺度上表現(xiàn)為零粘滯性。關(guān)鍵在于理解波函數(shù)相干性如何抑制了能量耗散機(jī)制。12.解析思路：超流體的零粘滯性使其能夠無損耗地輸運(yùn)流體，或在微通道中產(chǎn)生無能耗的“泵”效應(yīng)（第二聲聲速）。在微納尺度下，粘性阻力成為限制器件性能的關(guān)鍵因素。超流輸運(yùn)可用于制造無能耗的微納米泵、閥門，實(shí)現(xiàn)超精密液態(tài)物質(zhì)（如生物分子、納米材料）的操控和輸送。在微加工中，利用超流特性可以實(shí)現(xiàn)對(duì)微結(jié)構(gòu)表面的無粘附清洗或特殊涂覆。其獨(dú)特價(jià)值在于“無能耗”和“無接觸”或“極低接觸”的輸運(yùn)能力。13.解析思路：宏觀量子相干態(tài)是指一個(gè)由大量粒子（如原子、電子）組成的體系，其整體波函數(shù)仍然保持長(zhǎng)程相干性，宏觀性質(zhì)體現(xiàn)了量子統(tǒng)計(jì)效應(yīng)。超流He-4正是處于這種狀態(tài)。正常原子占據(jù)零能量態(tài)，形成玻色-愛因斯坦凝聚，大量原子的波函數(shù)疊加形成宏觀相干的德布羅意波。正是這種宏觀相干性導(dǎo)致了零粘滯性、量子化渦旋等奇異現(xiàn)象。理解關(guān)鍵在于區(qū)分正常原子（無相干性）和超流部分（宏觀相干性）。四、計(jì)算題14.解析思路：根據(jù)公式λ(T)=(T/Tλ)^(1/4)，代入T=1.0K和Tλ=2.17K。λ(1.0K)=(1.0/2.17)^(1/4)≈0.698^(1/4)≈0.889。超流部分占比為88.9%。解答：超流部分占比為0.889或88.9%。15.解析思路：總磁通量Φ總量等于單個(gè)渦旋磁通量Φ0乘以渦旋數(shù)量N。渦旋數(shù)量N可以通過樣品面積除以平均間距a的平方來估算，即N≈(L/a)2。因此，Φ總量≈Φ0*(L/a)2。Φ總量≈(h/2e)*(L/a)2。解答：樣品中總的磁通量Φ總量估算為(h/2e)*(L/a)2。五、論述題16.解析思路：論述需從超流特性（零粘滯性、量子化渦旋、第二聲效應(yīng)）出發(fā)，聯(lián)系具體制備過程。*零粘滯性應(yīng)用：在微納尺度液態(tài)金屬或溶液的輸運(yùn)、沉積過程中，零粘滯性可避免能耗和混合，實(shí)現(xiàn)無拖曳、無擴(kuò)散的精確操控，例如超流液態(tài)金屬在微通道中的無能耗泵送用于合金成分精確控制，或在低溫顯微鏡下實(shí)現(xiàn)無擾動(dòng)的液態(tài)樣品觀察。*量子化渦旋應(yīng)用：渦旋可以作為微型“攪拌器”或“閥門”，用于混合、分離微納米顆?；虼呋稽c(diǎn)。在特定磁場(chǎng)配置下，渦旋的產(chǎn)生、移動(dòng)和湮滅可用于微尺度材料的圖案化加工。*第二聲效應(yīng)應(yīng)用：利用第二聲聲速進(jìn)行熱信號(hào)的快速、無損傳輸，可用于微尺度溫度傳感、熱管理或非接觸式加熱，在微電子器件散熱或微加工中具有潛力。需要結(jié)合具體實(shí)例（如超流氦在半導(dǎo)體加工中的冷卻或清洗，或液態(tài)金屬顯示器的無能耗驅(qū)動(dòng)）來闡述，并強(qiáng)調(diào)其相比傳統(tǒng)方法的優(yōu)越性（如無能耗、高精度、無損等）。17.解析思路：選擇一個(gè)應(yīng)用方向（如超導(dǎo)量子計(jì)算），闡述其原理、挑戰(zhàn)和意義。*原理：超導(dǎo)量子計(jì)算利用超導(dǎo)電路中的宏觀量子現(xiàn)象（如庫珀對(duì)的相干運(yùn)動(dòng)）作為信息載體（量子比特qubit）。超流性保證了量子比特狀態(tài)的相干性（低損耗、長(zhǎng)相干時(shí)間），使得量子疊加和糾纏等核心量子力學(xué)歷經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間保持穩(wěn)定，從而實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的量子計(jì)算。例如，超導(dǎo)qubit可以利用約瑟夫森結(jié)等器件模擬超流液氦中的宏觀量子現(xiàn)象。*挑戰(zhàn)：實(shí)現(xiàn)實(shí)用化超導(dǎo)量子計(jì)算面臨諸多挑戰(zhàn)，包括如何精確控制和讀出大量qubit的狀態(tài)、如何構(gòu)建高質(zhì)量、低噪聲的