2025年大学物理学（等离子体物理实验）试题及答案.doc

2025年大学物理学（等离子体物理实验）试题及答案

（考试时间：90分钟 满分100分）
班级______ 姓名______

第I卷（选择题 共30分）
答题要求：本大题共10小题，每小题3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。

1. 等离子体物理实验中，关于等离子体的产生机制，以下说法正确的是
A. 只有气体放电能产生等离子体
B. 高温加热是产生等离子体的唯一方式
C. 气体放电、激光、射线照射等都可产生等离子体
D. 等离子体只能自然产生

2. 测量等离子体密度的常用方法是
A. 光学发射光谱法
B. 热传导法
C. 压力测量法
D. 磁探针法

3. 等离子体中的粒子碰撞频率与以下哪个因素关系不大
A. 粒子温度
B. 粒子密度
C. 粒子种类
D. 实验仪器颜色

4. 以下哪种等离子体诊断技术可以用于测量等离子体的速度分布
A. 微波干涉仪
B. 激光散射诊断
C. 静电探针
D. 红外热成像

5. 等离子体鞘层的主要作用是
A. 增强等离子体与外界的物质交换
B. 对等离子体起到约束作用
C. 使等离子体快速扩散
D. 降低等离子体温度

6. 在等离子体物理实验中，用于产生强磁场约束等离子体的装置是
A. 电阻炉
B. 托克马克装置
C. 质谱仪
D. 示波器

7. 等离子体中的波与等离子体相互作用不包括以下哪种
A. 波的传播
B. 波的吸收
C. 波的反射
D. 波的颜色变化

8. 研究等离子体输运过程需要测量的物理量不包括
A. 粒子扩散系数
B. 热导率
C. 等离子体颜色
D. 电导率

9. 以下关于等离子体诊断中的光谱诊断，说法错误的是
A. 可以分析等离子体中粒子的能级结构
B. 能确定等离子体的成分
C. 无法获取等离子体温度信息
D. 通过谱线强度等进行分析

10. 等离子体物理实验中，为了减少等离子体与器壁碰撞损失，常采用的措施是
A. 提高器壁温度
B. 降低等离子体密度
C. 给器壁涂覆特殊材料
D. 增加实验环境湿度

第II卷（非选择题 共70分）
11. （10分）简述等离子体的基本特性以及与普通气体的主要区别。

12. （15分）说明三种常见的等离子体加热方法及其原理。

13. （15分）阐述静电探针诊断等离子体的工作原理和能获取的等离子体参数。

14. 材料：在某等离子体物理实验中，通过微波加热产生了等离子体，利用激光散射诊断技术测量了等离子体的电子密度和温度。实验发现电子密度随时间呈现一定的变化规律，温度也在不同阶段有所波动。已知微波功率为P，等离子体腔室体积为V，电子密度为ne，温度为Te。
（15分）根据上述材料，分析微波功率、腔室体积与电子密度、温度之间可能存在的关系，并说明如何通过实验进一步验证。

15. 材料：在等离子体鞘层研究中，发现鞘层厚度会影响等离子体与外界物质的相互作用。当鞘层厚度变化时，等离子体中的粒子碰撞频率也会改变，进而影响等离子体的输运过程。例如，鞘层变薄时，粒子更容易逃逸出等离子体区域。已知鞘层厚度为d，粒子碰撞频率为ν。
（15分）请分析鞘层厚度与粒子碰撞频率以及等离子体输运之间的定量关系，并提出控制鞘层厚度以优化等离子体输运的方法。

答案：
1. C
2. A
3. D
4. B
5. B
6. B
7. D
8. C
9. C
10. C
11. 等离子体基本特性：由大量带电粒子（离子、电子）和中性粒子组成，具有集体行为，宏观上呈准中性。与普通气体区别：普通气体呈电中性，等离子体有显著带电粒子；等离子体导电性强，普通气体导电性弱；等离子体中粒子相互作用更复杂，除碰撞还有电磁相互作用等。
12. 欧姆加热：利用等离子体中电流通过时的焦耳热来加热，原理是电流通过等离子体时，离子和电子碰撞产生热量。射频加热：通过交变电磁场使等离子体中的粒子获得能量，粒子在交变场中不断振荡加速从而加热。中性粒子注入加热：将中性粒子束注入等离子体，中性粒子与等离子体中的粒子碰撞，使其获得能量实现加热。
13. 工作原理：静电探针插入等离子体中，由于等离子体中存在电位分布，探针与等离子体之间形成电场，电子和离子在电场作用下向探针运动，形成探针电流。能获取的参数：通过测量探针电流等，可得到等离子体的电子密度、电子温度、等离子体电位等参数。
14. 微波功率增加可能使电子密度增加，因为更多能量可使气体电离产生更多电子；腔室体积增大，电子密度可能减小，因空间变大粒子分散。微波功率与温度可能正相关，功率大加热效果好温度高。验证方法：改变微波功率，固定腔室体积，测量不同功率下电子密度和温度；改变腔室体积，固定微波功率，测量相应参数变化。
15. 一般鞘层厚度变薄，粒子碰撞频率降低，因为粒子更容易穿过鞘层逃逸，在等离子体区域内碰撞机会减少。鞘层厚度与等离子体输运关系：合适鞘层厚度利于控制粒子输运。控制方法：改变等离子体气压可影响鞘层厚度；调整电极电压等可改变鞘层电场分布从而影响厚度。