多铁性十年回眸 - 物理
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海南十年高考物理试题分类解析:磁场带电粒子在电磁场中的运动1.2018年海南物理卷第3题3.如图,一绝缘光滑固定斜面处于匀强磁场中,磁场的磁感应强度大小为B ,方向垂直于斜面向上,通有电流I 的金属细杆水平静止在斜面上。
若电流变为0.5I ,磁感应强度大小变为3B ,电流和磁场的方向均不变,则金属细杆将A.沿斜面加速上滑B.沿斜面加速下滑C.沿斜面匀速上滑D.仍静止在斜面上【解析】原来,θsin mg BIl =,后来mmg BIl a θsin 5.1-=,沿斜面向上,A 正确。
【答案】A2.2018年海南物理卷第13题13. (10分)如图,圆心为O 、半径为r 的圆形区域外存在匀强磁场,磁场方向垂直于纸面向外,磁感应强度大小为B 。
P 是圆外一点,OP=3r 。
一质量为m 、电荷量为q (q >0)的粒子从P 点在纸面内垂直于OP 射出。
己知粒子运动轨迹经过圆心O ,不计重力。
求(1)粒子在磁场中做圆周运动的半径;(2)粒子第一次在圆形区域内运动所用的时间。
【解析】(1)用电脑“画图”做的图如上图,在三角形OPQ 中,根据正弦定理,αααcos 3)90sin(3sin 0r r r =+=,得31tan =α。
据几何关系,r R R 32cos =+α,解得r R 34=。
(2)根据R mv Bqv 2=,得mBq m BqR v 34==, 带电粒子在园内做匀速直线运动,Bqm v r t 232==。
【答案】(1)r 34,(2)Bq m 23。
3.2017年第10题10.如图,空间中存在一匀强磁场区域,磁场方向与竖直面(纸面)垂直,磁场的上、下边界(虚线)均为水平面;纸面内磁场上方有一个正方形导线框abcd ,其上、下两边均与磁场边界平行,边长小于磁场上、下边界的间距。
若线框自由下落,从ab 边进入磁场时开始,直至ab 边到达磁场下边界为止,线框下落的速度大小可能( )A .始终减小B .始终不变C .始终增加D .先减小后增加【解析】若导线框刚进入磁场时,安培力等于重力,则做匀速运动,在磁场中则自由落体,速度增大,则出磁场时做减速运动,所以B 错误;若导线框刚进入磁场时,安培力小于重力,则做加速运动,在磁场中则自由落体,速度增大,若速度增大后使安培力仍小于重力,则出磁场时可能做加速运动,所以C 正确;若导线框刚进入磁场时,安培力大于重力,则做减速运动,在磁场中则自由落体,速度增大,若速度减小的比增加的多,则出磁场时可能做加速运动,所以D 正确;另一个方法判断:因为导线框有一段时间全在磁场中运动,没有感应电流,做加速度为g 的加速运动(自由落体运动除初始阶段外的运动),所以A 、B 被否定。
哈尔滨市第六中学2022届十月份阶段性总结高一物理试题一.选择题(本题包括13小题,共65分。
每小题给出的四个选项中,1—8小题只有一项符合题目要求,9—13小题有多项符合题目要求。
全部选对得5分,选对但不全的得3分,有选错的得0分)1. 为研究自然现象,推动物理学的发展,科学家们总结了许多物理思想方法,以下叙述不正确的是 ()A.当t非常小时,v = 表示质点在t时刻的瞬时速度,该定义采用了极限法B.加速度的定义采用的是等效替代法C.在推导匀变速直线运动位移公式时,把整个运动过程等分成很多小段,把每一小段的位移相加,运用的是微元法D.伽利略把实验和逻辑推理和谐的结合起来,从而发展了人类的科学思维方式和科学研究方法2.物体通过两个连续相等位移的平均速度分别为v1=10 m/s,v2=15 m/s,则物体通过两个连续相等位移的时间之比和整个运动过程中的平均速度分别是()A.2∶3;12.5 m/sB.3∶2;12 m/sC.2∶3;12.75 m/sD.3∶2;12.5 m/s3. 在一次跳伞训练中,伞兵从悬停在空中的直升机上跳出后,初速度v0>0,加速度a>0,下降过程中a值不断减小直至为零时,该伞兵的()A.速度不断减小,位移先增大后减小B.速度不断减小,最后做匀速直线运动C.速度不断增大,当a=0时,位移达到最大值D.速度不断增大,当a=0时,速度达到最大,位移不断增大4.如右图所示是M、N两个物体运动的位移—时间图象,其中M是过原点的直线,N是抛物线则由图可知()A.物体M做匀加速直线运动B.物体N做曲线运动C.物体N做匀加速直线运动D.t0秒内M、N两物体的路程不相等5. 用相同材料做成的A、B两木块的初速度之比为2∶3,它们以相同的加速度在同一粗糙水平面上沿直线滑行直至停止,则它们滑行的()A.时间之比为1∶1B.时间之比为3∶2C.距离之比为4∶9D.距离之比为2∶36. 如图,篮球架下的运动员原地垂直起跳扣篮,离地后重心上升的最大高度为H。
浙江省绍兴一中2023~2023学年高二上学期回头考试全真演练物理试题一、单项选择题:本题共8小题,每小题3分,共24分,在每小题给出的答案中,只有一个符合题目要求。
(共8题)第(1)题如图甲所示,矩形线圈放在有明确边界的匀强磁场中,线圈的中心轴与磁场边界重合,从上向下俯视,看到线圈绕轴逆时针匀速转动。
从图示位置开始计时,以abcda方向为电流正方向,则线圈转动时产生的感应电流随时间变化的图线是图乙中的( )A.B.C.D.第(2)题“物理”二字最早出现在中文中,是取“格物致理”四字的简称,即考察事物的形态和变化,总结研究它们的规律的意思。
我们要在学习物理知识之外,还要了解物理学家是如何发现物理规律的,领悟并掌握处理物理问题的思想与方法。
下列关于图中四幅图的相关叙述正确的是()A.图甲是观察桌面形变的实验,当用力F压桌面时,光点的位置会发生明显变化,从而反映桌面的形变,这个实验中主要用到的研究方法是微元法B.图乙中把一般的曲线运动看成很多个圆周运动的一部分的组合,这是理想模型的思想C.利用图丙装置探究小车的加速度与拉力的关系时,运用控制变量法和比较法来控制两小车有相同的运动时间,从而得到两小车的加速度大小关系D.图丁中探究小车运动的加速度与力、质量的关系,该实验用到了等效替代的思想第(3)题电动车配有把机械能转化为电能的“能量回收”装置。
某次测试中电动车沿倾角为15°的斜坡向下运动,初动能为。
第一次让车无动力自由滑行,其动能与位移x的关系如图中直线①所示;第二次让车无动力并开启“能量回收”装置滑行,其动能与位移x的关系如图中曲线②所示。
假设机械能回收效率为90%,重力加速度。
下列说法正确的是( )A.图中①对应过程汽车所受合力越来越大B.可求图中②对应过程下滑200m回收的电能C.图中②对应过程下滑100m后不再回收能量D.由题中及图像信息可求出电动车的质量第(4)题图甲是光电效应的电路图,分别用黄光、蓝光照射实验装置的K极,其中只有一种光照射时产生了光电流;下列说法中正确的是( )A.产生光电流的光是蓝光B.P向右移,G表读数一定增大C.原子核的结合能约为5MeVD.原子核的核子结合得比的核子更牢固第(5)题2023年4月13日,中国“人造太阳”反应堆中科院环流器装置创下新纪录,实现403秒稳态长脉冲高约束模等离子体运行,为可控核聚变的最终实现又向前迈出了重要的一步,下列关于核反应的说法正确的是()A.相同质量的核燃料,轻核聚变比重核裂变释放的核能更多B.氘氚核聚变的核反应方程为C.核聚变的核反应燃料主要是铀235D.核聚变反应过程中没有质量亏损第(6)题如图(a),我国某些农村地区人们用手抛撒谷粒进行水稻播种。
浙江省绍兴一中2023~2023学年高二上学期回头考试物理试题(基础必刷)一、单项选择题(本题包含8小题,每小题4分,共32分。
在每小题给出的四个选项中,只有一项是符合题目要求的)(共8题)第(1)题无线充电技术已经在新能源汽车领域得到应用。
如图甲,与蓄电池相连的受电线圈置于地面供电线圈正上方,供电线圈输入如图乙的正弦式交变电流,下列说法正确的是( )A.供电线圈中电流的有效值为B.受电线圈中的电流方向每秒钟改变50次C.时受电线圈的感应电流最小D.时两线圈之间的相互作用力最大第(2)题当太阳内部的氢元素消耗殆尽后,内部高温高压使三个氨核发生短暂的热核反应,被称为氦闪,核反应方程为,已知的结合能为,X的结合能为,则下列判断正确的是( )A.该核反应是衰变B.X的中子数比质子数多C.D.核反应放出的热量为第(3)题1934年约里奥—居里夫妇用α粒子轰击静止的铝核(),发现了放射性磷()并同时释放一个X粒子,磷核()具有放射性,它在衰变为硅核()的同时释放一个Y粒子,则X粒子和Y粒子分别是( )A.质子和电子B.质子和正电子C.中子和电子D.中子和正电子第(4)题在北京2022年冬季奥运会即将开幕之际,“吉林一号”卫星从太空传回了北京冬奥会、平昌冬奥会等历届冬奥会场馆影像。
从卫星影像中可以看到,每个场馆都饱含了奥林匹克竞技精神和独具一格的城市风韵。
已知“吉林一号”卫星星座中某颗卫星运行在太阳同步轨道上,每天绕地球转16圈,若地球卫星绕地球做匀速圆周运动,则关于该卫星,下列说法正确的是( )A.该卫星的向心加速度大于地球表面的重力加速度B.该卫星的线速度小于地球赤道上随地球一起自转的物体的线速度C.该卫星每绕地球一周,地球自转22.5°D.该卫星的轨道半径与地球同步卫星的轨道半径之比为1:4第(5)题如图所示,是两个电荷的电场线分布,图中P、Q两点关于两电荷连线对称。
由图可知( )A.两电荷是等量同种电荷B.两电荷是等量异种电荷C.P点和Q点电场强度相同D.若将一负电荷从M点移动到N点,该负电荷电势能增加第(6)题如图所示,某电路电源的电动势为,内阻恒为,是定值电阻,热敏电阻的阻值随温度降低而增大。
10年高考(2011-2020年)全国II 卷物理试题分项全解全析专题17原子物理1、全国II 卷2020年高考使用的省份:甘肃、青海、内蒙古、黑龙江、吉林、辽宁、宁夏、新疆、陕西、重庆等10个省份2、2011-2020年全国II 卷分布情况概况:3、2011-2020年全国II 卷试题赏析:1、(2020·全国II 卷·T18)氘核21H 可通过一系列聚变反应释放能量,其总效果可用反应式241112106H 2He 2H+2n+43.15MeV →+表示。
海水中富含氘,已知1kg 海水中含有的氘核约为1.0×1022个,若全都发生聚变反应,其释放的能量与质量为M 的标准煤燃烧时释放的热量相等;已知1 kg 标准煤燃烧释放的热量约为2.9×107 J ,1 MeV= 1.6×10–13J ,则M 约为( )A. 40 kgB. 100 kgC. 400 kgD. 1 000 kg2、(2019·全国II 卷·T15)太阳内部核反应的主要模式之一是质子-质子循环,循环的结果可表示为1401214H He+2e+2v →,已知11H 和42He 的质量分别为P 1.0078u m =和 4.0026u m α=,1u=931MeV/c 2,c 为光速.在4个11H 转变成1个42He 的过程中,释放的能量约为 A. 8 MeVB. 16 MeVC. 26 MeVD. 52 MeV3、(2017·全国II 卷·T15)一静止的铀核放出一个α粒子衰变成钍核,衰变方程为238234492902U Th He →+。
下列说法正确的是A .衰变后钍核的动能等于α粒子的动能B .衰变后钍核的动量大小等于α粒子的动量大小C .铀核的半衰期等于其放出一个α粒子所经历的时间D .衰变后α粒子与钍核的质量之和等于衰变前铀核的质量4、(2014·全国II 卷·T35)在人类对微观世界进行探索的过程中,科学实验起到了非常重要的作用。
10年高考(2011-2020年)全国II卷物理试题分项全解全析专题11 磁场1、全国II卷2020年高考使用的省份:甘肃、青海、内蒙古、黑龙江、吉林、辽宁、宁夏、新疆、陕西、重庆等10个省份2、2011-2020年全国II卷分布情况概况:3、2011-2020年全国II卷试题赏析:一、选择题1、(2020·全国II卷·T17)CT扫描是计算机X射线断层扫描技术的简称,CT扫描机可用于对多种病情的探测。
图(a)是某种CT机主要部分的剖面图,其中X射线产生部分的示意图如图(b)所示。
图(b)中M、N之间有一电子束的加速电场,虚线框内有匀强偏转磁场;经调节后电子束从静止开始沿带箭头的实线所示的方向前进,打到靶上,产生X射线(如图中带箭头的虚线所示);将电子束打到靶上的点记为P点。
则()A. M处的电势高于N处的电势B. 增大M、N之间的加速电压可使P点左移C. 偏转磁场的方向垂直于纸面向外D. 增大偏转磁场磁感应强度的大小可使P点左移2、(2019·全国II卷·T17)如图,边长为l的正方形abcd内存在匀强磁场,磁感应强度大小为B,方向垂直于纸面(abcd所在平面)向外.ab边中点有一电子发源O,可向磁场内沿垂直于ab边的方向发射电子.已知电子的比荷为k.则从a、d两点射出的电子的速度大小分别为A.14kBl,5kBlB. 14kBl,54kBlC. 12kBl,5kBlD. 12kBl,54kBl3、(2018·全国II卷·T20)如图,纸面内有两条互相垂直的长直绝缘导线L1、L2,L1中的电流方向向左,L2中的电流方向向上;L1的正上方有a、b两点,它们相对于L2对称。
整个系统处于匀强外磁场中,外磁场的磁感应强度大小为B0,方向垂直于纸面向外。
已知a、b两点的磁感应强度大小分别为和,方向也垂直于纸面向外。
则()A. 流经L 1的电流在b 点产生的磁感应强度大小为B. 流经L 1的电流在a 点产生的磁感应强度大小为C. 流经L 2的电流在b 点产生的磁感应强度大小为D. 流经L 2的电流在a 点产生的磁感应强度大小为4、(2017·全国II 卷·T18)如图,虚线所示的圆形区域内存在一垂直于纸面的匀强磁场,P 为磁场边界上的一点。
必刷03 波的多解问题基础知识1.波动问题多解的主要因素(1)周期性①时间周期性:时间间隔Δt与周期T的关系不明确.②空间周期性:波传播的距离Δx与波长λ的关系不明确.(2)双向性①传播方向双向性:波的传播方向不确定.②振动方向双向性:质点振动方向不确定.2.解决波的多解问题的思路一般采用从特殊到一般的思维方法,即找出一个周期内满足条件的关系Δt 或Δx,若此关系为时间,则t=nT+Δt(n=0,1,2,…);若此关系为距离,则x=nλ+Δx(n=0,1,2,…).典型例题=0时刻的波形,虚线是这列波【典例1】如图中实线是一列简谐横波在t1=0.5 s时刻的波形.在t2(1)写出这列波的波速表达式;(2)若波速大小为74 m/s,波速方向如何?答案见解析解析(1)由题图图象可知λ=8 m当波向右传播时,波传播距离为s=nλ+38λ=(8n+3) m(n=0,1,2…)波速为v=sΔt=8n+30.5m/s=(16n+6) m/s (n=0,1,2…).当波向左传播时,波传播距离为s=nλ+58λ=(8n+5) m (n=0,1,2…)波速为v=sΔt=8n+50.5m/s=(16n+10) m/s (n=0,1,2…).(2)若波速大小为74 m/s,在Δt=t2-t1时间内波传播的距离为s=v·Δt=74×0.5 m=37 m.因为37 m=4λ+58λ,所以波向左传播.【典例2】简谐横波沿x轴传播,M、N是x轴上两质点,如图甲是质点N 的振动图象.图乙中实线是t=3 s时刻的波形图象,质点M位于x=8 m处,虚线是再过Δt时间后的波形图象.图中两波峰间距离Δx=7.0 m.求:(1)波速大小和方向;(2)时间Δt.答案见解析解析(1)由题图知T=6 s,λ=8 m则波速大小为:v=λT=43m/st=3 s时,质点N向下振动,故波沿x轴负方向传播(2)由题意知,时间Δt=nT+Δxv=(6n+214) s,(n=0,1,2,3…)【典例3】如图所示,实线是一列简谐横波在t1=0时刻的波形,虚线是这列波在t2 =1.5 s时刻的波形,这列波的周期T符合2T<t2-t1<3T,求:(1)若波速向右,波速多大?(2)若波速向左,波速多大?(3)若波的周期大小没有限制条件,如果波速大小为34 m/s,波速方向如何?【答案】(1)右传 38/3m/s (或13.7m/s)(2)左传 14m/s(3)右传【解析】试题分析:据波形图可知,λ=8m(1)若波向右传播时,2T<t2-t1<3T时,波向右传播的距离为(2λ+3)m,所以波速2338//1.53v m s m sλ+==,(2)若波向左传播时,2T<t2-t1<3T时,波传播的距离为(2λ+5)m,所以波速25/14/1.5v m s m sλ+==,(3)若波速大小为34m/s ,在△t=t 2-t 1=1.5s 内波传播的距离为△x=v •△t=34×1.5m=51m因为s=51m=(6λ+3)m ,所以波向右传播【名师点拨】本题是波动图象中多解问题,关键根据波的双向性和周期性,得到得到波传播的距离,即可求得波速.根据波传播的距离与波长关系,是判断波的传播方向常用的方法。
南昌十中2023-2024学年下学期第二次月考高二物理试题说明:本试卷分第Ⅰ卷(选择题)和第Ⅱ卷(非选择题)两部分,全卷满分100分,考试用时75分钟。
注意事项:考生在答题前请认真阅读本注意事项及各题答题要求。
1.答题前,请您务必将自己的姓名、准考证号或IS 号用书写黑色字迹的0.5毫米签字笔填写在答题卡和答题纸上。
2.作答非选择题必须用书写黑色字迹的0.5毫米签字笔写在答题纸上的指定位置,在其它位置作答一律无效。
作答选择题必须用2B 铅笔把答题卡上对应题目的答案标号涂黑。
如需改动,请用橡皮擦干净后,再选涂其它答案,请保持卡面清洁和答题纸清洁,不折叠、不破损。
3。
考试结束后,请将答题纸交回。
一、选择题:本题共10小题。
1-7题只有一项符合题目要求,每题4分。
8-10题有多项符合题目要求,全部选对的得6分,选对但不全的得3分,有选错的得0分。
总共46分。
1.关于晶体和非晶体以下说法正确的是( )A .晶体表现为各向异性是由于微粒都是按一定的规则排列的B .用热针尖接触涂有石蜡薄层的金属片背面,熔化的石蜡呈圆形,说明石蜡具有各向同性C .非晶体沿各个方向的物理性质都是一样的,且具有确定的熔点D .在合适的条件下,某些晶体可以转变为非晶体,但非晶体不能转变为晶体2.阿伏伽德罗常数把宏观物理量和分子的微观物理量联系起来了,是一个重要的常数量。
从下列哪一组数据可以估算出阿伏伽德罗常数?()A .气体的摩尔体积和分子体积B .物体的质量和分子质量C ,气体的摩尔质量和分子体积、分子密度D .物体的质量、密度和分子的体积3.如图所示,长L =34cm 的粗细均匀的长直玻璃管竖直放置,上端开口,用长L =15cm 的水银将一定质量的气体封闭在管的下端,稳定后气体长度l =10cm 。
已知外界大气压,现保持温度不变的情况下从管的上端开口处缓慢加入水银,则加入水银的最大长度为( )A .9cm B .10cm C .14cm D .15cm4.如图所示,某装置中竖直放置一内壁光滑、开口向上的圆柱形容器,圆柱形容器用一定质量的活塞封闭一075cmHg p定质量的理想气体,外界大气压强为,当装置静止时,容器内气体压强为,活塞下表面与容器底面的距离为,当装置以某一恒定加速度加速上升时,活塞下表面距容器底面的距离为,已知容器内气体温度始终保持不变,重力加速度大小为g ,则装置的加速度大小为( )A .0.25gB .1.5gC .2.75gD .11.5g5.如图所示,汽缸内用活塞封闭一定质量的理想气体,汽缸和活塞导热良好,汽缸水平固定不动,一条细线左端连接在活塞上,另一端跨过定滑轮后吊着一个重物,开始时活塞静止。
专题18、原子物理(2010-2019)题型一、光电效应1.(2019北京)光电管是一种利用光照射产生电流的装置,当入射光照在管中金属板上时,可能形成光电流。
表中给出了6次实验的结果。
由表中数据得出的论断中不正确的是()A.两组实验采用了不同频率的入射光B.两组实验所用的金属板材质不同C.若入射光子的能量为5.0eV,逸出光电子的最大动能为1.9eVD.若入射光子的能量为5.0eV,相对光强越强,光电流越大2.如图为a、b、c三种光在同一光电效应装置中测得的光电流和电压的关系。
由a、b、c组成的复色光通过三棱镜时,下述光路图中正确的是()3.(2018全国2)用波长为300nm的光照射锌板,电子逸出锌板表面的最大初动能为1.28⨯10-19J。
已知普朗克常量为6.63⨯10-34J·s,真空中的光速为3.00⨯108m·s-1,能使锌产生光电效应的单色光的最低频率约为()A.1⨯1014Hz B.8⨯1014Hz C.2⨯1015Hz D.8⨯1015Hz4.(2016·全国2)现用某一光电管进行光电效应实验,当用某一频率的光入射时,有光电流产生。
下列说法正确的是()A.保持入射光的频率不变,入射光的光强变大,饱和光电流变大B.入射光的频率变高,饱和光电流变大C.入射光的频率变高,光电子的最大初动能变大D.保持入射光的光强不变,不断减小入射光的频率,始终有光电流产生5.(2016·全国卷1)现用某一光电管进行光电效应实验,当用某一频率的光入射时,有光电流产生。
下列说法正确的是()A.保持入射光的频率不变,入射光的光强度变大,饱和光电流变大B.入射光的频率变高,光电子的最大初动能变大C.保持入射光的光强不变,不断减小入射光的频率,始终有光电流产生D.遏止电压的大小与入射光的频率有关,与入射光的光强无关6.(2015天津)现用某一光电管进行光电效应实验,当用某一频率的光入射时,有光电流产生。
高中物理学习材料金戈铁骑整理制作一.2012年高考题1.(2012·天津理综)对铀235的进一步研究在核能开发和利用中具有重要意义。
如图所示,质量为m、电荷量为q的铀235离子,从容器下方的小孔S1不断飘入加速电场,其初速度可视为零,然后经过小孔S2垂直于磁场方向进入磁感应强度为B的匀强磁场中,做半径为R的匀速圆周运动。
离子行进半个圆周后离开磁场并被收集,离开磁场时离子束的等效电流为I。
不考虑离子重力及离子间的相互作用。
(1)求加速电场的电压U;(2)求出在离子被收集过程中任意时间t内收集到离子的质量M;(3)实际上加速电压大小会在U±△U范围内微小变化。
若容器A中有电荷量相同的铀235和铀238两种离子,如前述情况它们经电场加速后进入磁场中会发生分离,为使者两种离子在磁场中运动的轨迹不发生交叠,UU∆应小于多少?(结果用百分数表示,保留两位有效数字)。
N=Q/q ,⑤M=Nm ,⑥由④⑤⑥式解得:M=mIt/q 。
⑦ (3)由①②式有:R=1B 2mUq。
⑧ 设m ’为铀238离子的质量,由于电压在U ±△U 之间有微小变化,铀235离子在磁场中最大半径为R max =1B()2+m U U q∆。
⑨铀238离子在磁场中最小半径为R’min =1B()2'-m U U q∆。
⑩故U U ∆<238u-235u238u+235u, 解得U U ∆<0.63%。
【考点定位】 本题主要考查带电粒子在电场中加速和在磁场中圆周运动及其相关知识,意在考查考生灵活应用电磁学相关知识解决实际问题的能力。
2. (2012·海南物理)图(a )所示的xOy 平面处于匀强磁场中,磁场方向与xOy 平面(纸面)垂直,磁感应强度B 随时间t 变化的周期为T ,变化图线如图(b )所示。
当B 为+B 0时,磁感应强度方向指向纸外。
在坐标原点O 有一带正电的粒子P ,其电荷量与质量之比恰好等于2TB π。
多铁性材料专题·43卷(2014年)2期多铁性十年回眸*刘俊明1,†南策文2,††
(1南京大学物理学院南京210093)(2清华大学材料学院北京100084)
DecadeofmultiferroicresearchesLIUJun-Ming1,†NANCe-Wen2,
††
(1SchoolofPhysics,NanjingUniversity,Nanjing210093,China)(2SchoolofMaterialsSciencesandEngineering,TsinghuaUniversity,Beijing100084,China)
摘要多铁性研究可上溯至1950年代,作为凝聚态与材料物理的一个研究方向也算历史悠久;但大规模研究则主要受2003年两项里程碑性成果驱动,距今正好十年。所谓“十年树木”,古训赋予我们回眸十年多铁研究的一个理由。这两项成果之一是BiFeO3
外延薄膜制
备及磁电耦合观测,主要贡献在于将互无交叠的磁电耦合唯象理论与多铁性微观物理框架通过铁性畴层次有机结合,触发多铁性薄膜与异质结的广泛研究。另一项成果是发现TbMnO3
中巨大的磁电耦合效应,开启探索一大类具有崭新物理内涵的多铁性物质之路。对多铁性薄膜异质结的研究深入细致,体现了层层盘剥、细嚼慢咽的风格。而单相多铁性的探索则百花齐放、只争朝夕。前者如能工巧匠,其足迹是精湛研究技术方法与物理理论相结合的图画。后者如春潮奔腾,所到之处气象万千,其大观是科学发现与新材料探索的范例。文章基于粗略框架,对多铁性研究十年图景粗作描绘。有关多铁性各方面的详细论述则见诸本专题之隽文秀语。多铁性研究经历分而春秋的黄金十年,正出现久分必合的迹象,令人不忍释手。
关键词多铁性,单相物质,薄膜异质结
AbstractMultiferroicityasoneoffavorabletopicsincondensedmattersandmaterialsphysicshasbeenreceivingattentionssince1950s.Intensiveresearchactivities,however,werere-vivedbytwomilestonesasaccomplishedin2003,sustainingformorethantenyears.OneofthemilestonesisthepreparationofepitaxialBiFeO3thinfilmsanddemonstrationofthemagnetoelec-triceffect.Thephysicsatthemultiferroicdomainlevelisbelievedtofillthegapbetweenthephe-nomenologicaltheoriesandmicroscopicmechanisms.Theothergoestothecolossalmagnetoelec-triceffectinmanganiteTbMnO3,whichhaspavedaroadmaptowardsaclassofmultiferroiccom-poundswithsubstantialsignificanceofphysics.Unveilingeveryparticularfeaturestheexplora-tionsonmultiferroicthinfilmsandheterostructures,whilethosediscoveriesassociatedwithmulti-ferroiccompoundsevidenceamodelscenariooftouchingthosehiddenphysicsandenhancedprop-erties.Asubstantialreviewofthestate-of-artsandfutureperspectivesbenefitsnotonlytothecommu-nityofmultiferroicresearches.Inthisarticle,asanintroductionofthisspecialsectiononmultiferroic-ity,wepresentabriefreviewofthoseicebergsandbeyondcoordinatingthemultiferroicresearchesinthepastdecade.Itisourexpectationthatthegoldendecadeisalongperiodofdivisionandmultifer-roicitywillbeeventuallyauniquestorywithimpacting,andsurely,self-consistentphysics.Keywordsmultiferroicity,singephasecompounds,thinfilmsandheterostructures
2013-11-16收到†email:liujm@nju.edu.cn††email:cwnan@tsinghua.edu.cn
DOI:10.7693/wl20140202
*国家自然科学基金(批准号:11234005)、国家重点基础研究发展计划(批准号:2011CB922101)资助项目
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1追根溯源介入一个学科方向,追根溯源是科学的态度。多铁性研究的萌芽与现代凝聚态物理发展早期对称破缺的概念联系在一起。1950年代,朗道学派在发展相变唯象理论时,针对铁电和磁性相变,提出了著名的磁电耦合自由能项gP2·M2,其中P和M分别为铁电和磁性序参量(自发极化与自发磁矩)。它蕴含了多铁性在2003年以前的主要物理图像,是天才的遐想,虽然这一形式也在一定程度上限制了我们的思维发散。多铁性物理最开始只是基于唯象理论的推演,当时缺乏对微观物理起源的认识。考虑磁性对时间反演破缺和铁电性对空间反转破缺的要求,最简单的磁电耦合能就是gP2·M2。晶格平移对称性使得铁弹性被纳入磁性和铁电性的阵营。三种铁性作为初级序参量有完全不同的物理起源,它们两两共存,都在多铁性视野之内,半个多世纪以来形成定式,主要研究目标是这些序参量之间的相互耦合,如磁电耦合。2003年以前主要围绕铁电、铁磁和铁弹三种铁性的耦合展开,很少去考虑三种铁性之间互为因果的物理关联。几条主要研究脉络追溯如下:(1)磁电耦合理论发展相对简陋,除包含磁电耦合的唯象理论外,早期很多工作注重微观物理机制的理论分析。这些工作疏于定量甚至定性的预见性,具有一定广谱性的理论工作不多,整体而言影响甚微。限于篇幅,这些繁杂理论细节的详细讨论可见1994年HansSchmid先生那篇有名但读起来稍显艰涩的综述[1],在此不表。(2)磁电耦合实验研究在朗道理论预言之后进展甚微,直到在Cr2O3
中获得第一组证据。随后虽
陆续合成几十种所谓磁电耦合化合物,但尚为同行记得的大概只有Cr2O3和Pb(Fe1/2Nb1/2)O3
(PFN)。
前者磁电效应差强人意,后者则是磁电复合设计原则诸多尝试后的幸运者。这些化合物磁电耦合弱、以线性响应为主、性能不佳,诠释了多铁性研究波澜不惊的过去。
(3)对多铁性研究关注者寡。与凝聚态物理半个世纪以来一系列热点领域均取得长足发展不同,多铁性领域的主要队伍来自俄罗斯和中东欧学者,国际一流研究机构和学者很少介入到这一领域中,未有稳定队伍和持续资助。这里存在学科发展的传统模式缺憾,但更大问题是需求驱动。这种状态持续多年,其窘境可由每两年一届的专业研讨会都难以为继之事实所印证。2003年发表的两篇文章成为多铁性研究复兴的催化剂,其背后深刻的原因在于:对关联电子系统的关注以高温超导、庞磁电阻锰氧化物等复杂过渡金属氧化物为主线,使得凝聚态物理由基于半导体能带理论的固体物理推广至具有显著关联度的复杂化合物(特别是氧化物)范畴。这些垦荒式的发展为多铁性获得质的提升打下良好基础,包括学科队伍的准备、制备与表征技术进展、学科方向的拓展,等等。这两项工作之一报道了外延BiFeO3
(BFO)制
备与多铁性表征[2]。BFO本身并非新材料,块体BFO性能表现并无出色之处。BFO薄膜融入了丰富的畴结构与对称性变种,使得这一平常角色有了丰富的新自由度:(1)铁电性对结构畸变调制敏感,这是氧化物电子材料的优点;(2)多铁性在畴层次的复杂变化为物理人发挥想象提供了难得的剧本;(3)合适的电子结构为光电能量介入提供了良好平台。这些素材构成了2003年至今BFO在多铁性领域一枝独秀的资本。但BFO犹如热带参天榕树,所遮之下竟无寸草,却也是事实。另一项工作关注正交结构稀土锰氧化物TbMnO3(TMO)[3]
。从物理角度看,这个工作彰显
出更多的创意与新奇,表现在以下几个层面:(1)第一个磁电效应大得出奇的体系,磁场能够翻转铁电极化;(2)铁电极化非源于结构本源畸变,而是源于特定自旋结构下的一类新机制,催生了所谓第II类多铁性类别;(3)崭新的物理,一扫多铁性研究多年的颓势。略显遗憾的是,第II类多铁体在性能上依然是阳春白雪,至今却还未食人间烟火。由此,多铁性作为凝聚态物理一个内涵丰富
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