2025年大學(xué)建筑等離子體物理期末考卷2025年大學(xué)建筑等離子體物理期末考卷

姓名：______班級：______學(xué)號：______得分：______

（考試時(shí)間：90分鐘，滿分：100分）

1.選擇題（共5題，每題2分，計(jì)10分）

2.填空題（共5題，每題2分，計(jì)10分）

3.判斷題（共5題，每題2分，計(jì)10分）

4.簡答題（共3題，每題10分，計(jì)30分）

5.計(jì)算題（共2題，每題20分，計(jì)40分）

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**1.選擇題（共5題，每題2分，計(jì)10分）**

1.等離子體中的電離現(xiàn)象主要由哪種力主導(dǎo)？

A.引力

B.庫侖力

C.磁力

D.核力

2.以下哪種物質(zhì)不屬于常溫等離子體？

A.氫氣放電管中的等離子體

B.地球磁層中的等離子體

C.水蒸氣

D.脈沖激光等離子體

3.等離子體頻率（ωp）的計(jì)算公式中，哪個(gè)參數(shù)表示電子電荷量？

A.me（電子質(zhì)量）

B.ρ（電子密度）

C.qe（電子電荷量）

D.ε0（真空介電常數(shù)）

4.等離子體中的阿爾文波（Alfvenwave）主要由什么驅(qū)動？

A.電磁場變化

B.熱傳導(dǎo)

C.碰撞

D.化學(xué)反應(yīng)

5.哪種等離子體約束方式常用于托卡馬克裝置？

A.磁約束

B.電約束

C.密度約束

D.溫度約束

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**2.填空題（共5題，每題2分，計(jì)10分）**

1.等離子體的德拜長度λD與電子密度ne和電子溫度Te的關(guān)系為：λD=______。

2.等離子體碰撞頻率υ與電子密度ne、電子質(zhì)量me和碰撞截面σ的關(guān)系為：υ=______。

3.等離子體中的朗繆爾頻率（ωL）與離子質(zhì)量mi和電子質(zhì)量me的關(guān)系為：ωL=______。

4.等離子體不透明度τ的公式中，κ表示______。

5.等離子體中的雙離子層（doublelayer）通常形成在______條件下。

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**3.判斷題（共5題，每題2分，計(jì)10分）**

1.等離子體的電導(dǎo)率僅與電子密度有關(guān)，與離子密度無關(guān)。（×）

2.等離子體頻率（ωp）隨電子溫度升高而增大。（√）

3.等離子體中的磁流體不穩(wěn)定性（MHDinstability）僅出現(xiàn)在強(qiáng)磁場中。（×）

4.等離子體的雪崩電離（avalancheionization）是低電場下的主要電離機(jī)制。（√）

5.等離子體中的德拜鞘（Debyesheath）厚度與離子質(zhì)量成正比。（×）

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**4.簡答題（共3題，每題10分，計(jì)30分）**

1.簡述等離子體中的電離機(jī)制及其影響因素。

2.解釋等離子體頻率（ωp）的物理意義及其在等離子體診斷中的應(yīng)用。

3.比較磁約束與電約束在等離子體約束技術(shù)中的優(yōu)缺點(diǎn)。

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**5.計(jì)算題（共2題，每題20分，計(jì)40分）**

1.已知等離子體中電子密度ne=1×1020m?3，電子電荷量qe=1.6×10?19C，電子質(zhì)量me=9.11×10?31kg，真空介電常數(shù)ε0=8.85×10?12F/m。計(jì)算該等離子體的德拜長度λD和等離子體頻率ωp。

2.在一個(gè)托卡馬克裝置中，等離子體半徑a=3m，磁通量Φ=1.2×10?4Wb，離子質(zhì)量mi=1.67×10?27kg，電子質(zhì)量me=9.11×10?31kg。計(jì)算該裝置中的阿爾文速度va和阿爾文波頻率ωA。

6.名詞解釋題（共3題，每題5分，計(jì)15分）

1.等離子體雙離子層

2.等離子體不透明度

3.等離子體阿爾文波

7.短答計(jì)算題（共2題，每題10分，計(jì)20分）

1.已知等離子體中電子溫度Te=5eV，離子溫度Ti=2eV，電子密度ne=1×1021m?3，電子電荷量qe=1.6×10?19C，電子質(zhì)量me=9.11×10?31kg。計(jì)算該等離子體的碰撞頻率υ和德拜長度λD。

2.在一個(gè)磁約束等離子體中，磁場強(qiáng)度B=0.5T，等離子體半徑R=2m，電子密度ne=1×1020m?3。計(jì)算該等離子體的阿爾文速度va和朗繆爾頻率ωL。

8.證明題（共1題，計(jì)15分）

證明等離子體中的磁鏡像效應(yīng)（magneticmirroreffect）的穩(wěn)定性條件。

9.綜合應(yīng)用題（共1題，計(jì)20分）

設(shè)計(jì)一個(gè)簡單的等離子體診斷方案，用于測量電子密度和溫度，并說明其原理和步驟。

10.案例分析題（共1題，計(jì)20分）

分析托卡馬克裝置中實(shí)現(xiàn)磁約束穩(wěn)定性的主要挑戰(zhàn)，并提出可能的解決方案。

11.理論推導(dǎo)題（共1題，計(jì)15分）

推導(dǎo)等離子體中的朗繆爾波（Langmuirwave）的色散關(guān)系，并解釋其物理意義。

12.實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)題（共1題，計(jì)20分）

設(shè)計(jì)一個(gè)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證等離子體中的二極管效應(yīng)（diodeeffect），包括實(shí)驗(yàn)裝置、參數(shù)設(shè)置和預(yù)期結(jié)果分析。

13.參數(shù)分析題（共1題，計(jì)15分）

分析等離子體密度、溫度和磁場強(qiáng)度對等離子體不透明度的影響，并解釋其工程應(yīng)用意義。

14.模型建立題（共1題，計(jì)20分）

建立一個(gè)簡化模型描述等離子體中的微波加熱過程，并推導(dǎo)加熱效率的表達(dá)式。

15.創(chuàng)新應(yīng)用題（共1題，計(jì)20分）

探討等離子體技術(shù)在建筑節(jié)能領(lǐng)域的應(yīng)用前景，并提出一個(gè)具體的創(chuàng)新應(yīng)用方案。

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**6.名詞解釋題（共3題，每題5分，計(jì)15分）**

1.等離子體雙離子層：在等離子體中，由于電荷分離形成的局部電勢差區(qū)域，通常由正離子和電子密度不同或不均勻分布導(dǎo)致。

2.等離子體不透明度：描述等離子體對電磁波吸收和散射能力的物理量，與等離子體密度、溫度和頻率等因素有關(guān)。

3.等離子體阿爾文波：在磁化等離子體中傳播的磁聲波，其速度由磁場強(qiáng)度和等離子體密度決定。

**7.短答計(jì)算題（共2題，每題10分，計(jì)20分）**

1.計(jì)算德拜長度λD和碰撞頻率υ：

德拜長度λD=√(ε0k_BT_e/(q_e^2n_e))=√(8.85×10^-12×1.38×10^-23×5/(1.6×10^-19^2×1×10^21))≈0.11m

碰撞頻率υ=n_eσ/m_e≈1×10^21×(1×10^-20)/9.11×10^-31≈1×10^10Hz

2.計(jì)算阿爾文速度va和朗繆爾頻率ωL：

阿爾文速度va=B/√(μ_0n_em_i)=0.5/√(4π×10^-7×1×10^20×1.67×10^-27)≈5×10^5m/s

朗繆爾頻率ωL=q_eB/m_i=1.6×10^-19×0.5/1.67×10^-27≈4.8×10^7rad/s

**8.證明題（共1題，計(jì)15分）**

證明磁鏡像效應(yīng)的穩(wěn)定性條件：

設(shè)粒子能量為ε，磁鏡像參數(shù)為β=B_max/B_min。當(dāng)β>2時(shí)，粒子會被鏡像反射，穩(wěn)定性條件為：

ε_min/ε_max≥1/(β-1)^2

**9.綜合應(yīng)用題（共1題，計(jì)20分）**

等離子體診斷方案：

1.使用激光誘導(dǎo)擊穿光譜（LIBS）測量電子密度：激發(fā)等離子體產(chǎn)生光譜，通過譜線強(qiáng)度計(jì)算密度。

2.使用射頻反射計(jì)測量電子溫度：通過反射信號頻率變化計(jì)算溫度。

**10.案例分析題（共1題，計(jì)20分）**

托卡馬克裝置磁約束穩(wěn)定性分析：

主要挑戰(zhàn)包括：邊界不穩(wěn)定性、磁島效應(yīng)和等離子體破裂。解決方案：優(yōu)化磁場形狀、增加等離子體旋轉(zhuǎn)和注入超導(dǎo)磁場。

**11.理論推導(dǎo)題（共1題，計(jì)15分）**

朗繆爾波色散關(guān)系推導(dǎo)：

ω^2=ω_p^2+(ck/ω_p)(n_ee^2k/m_eε_0)sin(kλ)

**12.實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)題（共1題，計(jì)20分）**

二極管效應(yīng)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)：

裝置：平行板電極，一端接正極，另一端接負(fù)極。參數(shù)：電壓、頻率和氣體壓力。預(yù)期：陽極側(cè)離子流遠(yuǎn)大于陰極側(cè)電子流。

**13.參數(shù)分析題（共1題，計(jì)15分）**

等離子體不透明度影響因素：

密度：ρ↑→τ↑（吸收增強(qiáng)）

溫度：Te↑→λD↑→τ↓（吸收減弱）

工程應(yīng)用：控制不透明度優(yōu)化激光加熱效率。

**14.模型建立題（共1題，計(jì)20分）**

微波加熱模型：

效率η=(P_heated/P_input)=(γn_e^2e^4/(m_eε_0^2c))(T_e/ω^2)

**15.創(chuàng)新應(yīng)用題（共1題，計(jì)20分）**

等離子體建筑節(jié)能應(yīng)用：

方案：利用等離子體發(fā)光特性制造新型節(jié)能照明，結(jié)合等離子體催化分解NOx凈化空氣。

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**知識點(diǎn)分類總結(jié)**

1.**等離子體基本性質(zhì)**

-定義：部分電離的氣體，含自由電子和離子。

-特征：集體行為、電磁響應(yīng)、準(zhǔn)中性。

2.**等離子體診斷技術(shù)**

-方法：光譜分析（LIBS）、激光干涉、電磁波反射。

-參數(shù)：密度、溫度、不透明度。

3.**等離子體動力學(xué)**

-頻率：等離子體頻率(ωp)、朗繆爾頻率(ωL)、阿爾文頻率(ωA)。

-波動：朗繆爾波、阿爾文波、MHD波。

4.**等離子體約束技術(shù)**

-方法：磁約束（托卡馬克、仿星器）、電約束。

-效應(yīng)：磁鏡像、中性束注入、偏濾器。

5.**等離子體與電磁場相互作用**

-效應(yīng)：二極管效應(yīng)、微波加熱、粒子回旋共振。

-應(yīng)用：核聚變、等離子體光源、表面處理。

**各題型知識點(diǎn)詳解及示例**

**選擇題**：考察基礎(chǔ)概念記憶，如電離機(jī)制（雪崩電離、光電離）、等離子體分類（常溫/高溫）。

**填空題**：公式應(yīng)用，如λD=√(ε0k_BT_e/(q_e^2n_e))，需掌握參數(shù)物理意義。

**判斷題**：反常識知識點(diǎn)，如MHD不穩(wěn)定性不限磁場強(qiáng)度，需辨析條件限制。

**簡答題**：原理闡述，如電離機(jī)制受電場、溫度、粒子碰撞影響。

**計(jì)算題**：公式推導(dǎo)，如ωp=√(n_eq_e^2/(ε0m_e))，需單位換算和數(shù)值計(jì)算。

**名詞解釋**：術(shù)語標(biāo)準(zhǔn)化定義，如雙離子層是電荷分離區(qū)。

**證明題**：