物理与工程

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教学研究

  • 懂几何者,在物理学中无往而不利

    刘全慧;

    统一物理学中四个基本相互作用的理论基础是规范场论,即一种近代几何理论,一些物理学理论的建立,借助的是并不深奥的微分几何,可以说物理学离不开几何。但是大学物理专业的课程中,极少有微分几何的位置。把导数引入几何中即微分几何,最简单的微分几何即古典微分几何,仅仅包括曲线与曲面论,而且这些知识非常容易入门和掌握。本文在量子力学和热力学课程的基本内容中撷取了几个点,指出它们和曲面论微分几何的联系,包括动量算符、量子态在曲面上的平行移动、自旋和空间拓扑结构、热力学函数曲面和尚在发展中的热力学几何等。说明如下道理:不管是物理的学习者还是研究者,几何能使他们独辟蹊径,无往而不利。

    2021年03期 v.31;No.203 3-7页 [查看摘要][在线阅读][下载 760K]
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  • 若干重要积分的间接方法

    周国全;曾伟豪;喻成城;

    本文(1)将两个复杂而重要的含参无穷积分视为其参变量的函数,运用一致收敛的含参积分对参变量的可导性质,设法将问题转化为关于参变量的简单微分方程,从而间接而巧妙地求出积分结果;(2)对于n维空间的球体体积与表面积的问题,本文介绍一种移花接木的方法,巧妙地推导出n维球体的体积与表面积公式。

    2021年03期 v.31;No.203 8-12页 [查看摘要][在线阅读][下载 759K]
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  • 超导电路的量子化方法

    宿非凡;

    超导量子计算是当下世界范围内被广泛关注的研究课题之一,近年来许多文献报道了利用超导量子比特对特定物理过程的研究和仿真,在新近的一些工作里其应用范围已经超出了物理学研究范围,在化学、信息学等领域也得到了很好的结果。超导量子计算器件首先要对超导电路进行量子化。本文针对超导量子计算芯片(量子比特)中的超导电路总结了一套规范、实用的量子化方法,并以此方法对位相量子比特超导电路进行了量子化并给出了其哈密顿量。本文思路与方法对新型量子比特或其他超导电路的设计与研究也有一定帮助。

    2021年03期 v.31;No.203 13-15+21页 [查看摘要][在线阅读][下载 1026K]
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  • 学生对刚体滚动过程中摩擦力作用的认识

    贾莹;朱广天;

    刚体滚动是大学物理中的重点内容,学生在学习刚体滚动运动中存在诸多的困难,尤其是对摩擦力的作用认识不清。我们通过分析学生相关测试题目的结果,辅以出声访谈策略,深入了解了学生解决相关问题的思维过程。结果发现,学生会将平动中与摩擦力有关的前概念迁移到转动过程中,对摩擦力如何影响刚体滚动运动的过程、在功能转换中的作用以及摩擦力自身性质的认识均存在一些典型的迷思概念。

    2021年03期 v.31;No.203 16-21页 [查看摘要][在线阅读][下载 1065K]
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  • “课程群”教学体系:分级教学与实践

    罗洪刚;王建波;刘玉孝;吴国军;

    在先前的两篇文章中,我们提出了物理学"课程群"组织体系和"教研室"管理体系架构,分别将物理学基础课程根据内在联系划分为"课程群"以及根据课程群划分组建基层教学组织,即课程群"教研室"。本文继续探讨在"课程群"划分及"教研室"建立之后,如何有效地梳理课程及开展教育教学活动。基于兰州大学物理科学与技术学院2018级和2019级本科生的教学实践,以力学基础系列课程为例,以研究对象的选取为主线索,我们提供课程的融合及其分级教学的实施方案,以及一些初步的成效和经验教训,供同行专家批评指正。本文主要针对物理学专业本科生课程,研究生课程不做具体讨论。参照力学基础系列课程,其他系列课程也参照此模式开展工作,限于篇幅,不详细赘述。

    2021年03期 v.31;No.203 22-28页 [查看摘要][在线阅读][下载 1185K]
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  • 涡流损耗与介质尺寸的关系

    熊永建;

    本文讨论涡流热功率随介质尺寸变化规律。考虑圆柱和四方柱导体,受到均匀的正弦交变磁场,推导出涡流损耗的表达式,从而用定量的结果说明大块导体分割为相互绝缘的小导体可以减少涡流损耗。用Comsol软件做数值仿真,验证了理论结果。

    2021年03期 v.31;No.203 29-32页 [查看摘要][在线阅读][下载 1342K]
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  • 热学中统计熵的一种理论解析

    冯仕猛;

    大学物理教学过程中,适当给出一些有特色的数学推导,有利于学生理解相关的物理内容和构建相应的物理图像。理想气体的统计熵是热力学中一个重要概念,它与理想气体的体积和温度有关。本文根据测不准关系,提出理想气体分子最小空间概念。利用概率统计的基本知识,通过一定的数学处理,推导出一个统计熵的表达式。这个表达式包含了温度和体积对统计熵的贡献,与统计物理上经典表达式基本相同。这种方法比较简单、直观,有利于低年级理工科学生理解统计熵的物理意义。

    2021年03期 v.31;No.203 33-35+38页 [查看摘要][在线阅读][下载 1248K]
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  • 利用几何知识求解天体运动轨道

    李开玮;

    本文提出一种构造椭圆的方法,并利用该方法结合开普勒第二定律求解在万有引力作用下的天体运动轨道形状,该方法抛开了复杂的数学积分,只利用简单的几何知识使求解过程简洁化,图像化,能够加强学生对天体运动的理解。

    2021年03期 v.31;No.203 36-38页 [查看摘要][在线阅读][下载 1241K]
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  • 将科学研究融入大学物理教学的探讨——以宇宙射线研究为例

    刘茂元;高启;陈天禄;单增罗布;

    科学研究与教学工作相辅相成,互相促进,文中我们依托宇宙线教育部重点实验室,结合多年来从事大学物理教学工作及西藏宇宙射线实验研究的经验,将大学物理中的粒子作用、光电效应、康普顿散射与宇宙射线科学研究的相关知识进行了融合。虽然目前宇宙射线并未全面进入教育视野,但宇宙射线研究是物理界非常重要的一项课题,为人类认识粒子及宇宙起着非常重要的作用。如果将两者有机融合,既能激发学生学习大学物理的兴趣,为大学物理教学打开新窗口与对接接口,又可以同时宣传宇宙射线知识,使大学本科生了解宇宙射线,为拔尖学生的培养开创新的渠道。

    2021年03期 v.31;No.203 39-47页 [查看摘要][在线阅读][下载 1680K]
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  • 《静电场中的导体》教学设计

    李慧;吴世永;周鸣宇;郭冰;

    文章针对《静电场中的导体》这次课进行了教学设计,首先对教学内容和学员特点进行分析,并制定了教学目标。根据教学任务分析与教学目标做出了相应的教学策略选择与设计,主要的方法与手段有通过团队合作调动学员物理学习的积极性、利用教学互动反馈系统进行实时检测,随时了解学员的课堂掌握情况。采取过程性的教学评价方法,通过团队成绩督促每一位学员,共同进步。最后对本次课进行教学反思,希望和各位专家同行交流,相互借鉴。

    2021年03期 v.31;No.203 48-54页 [查看摘要][在线阅读][下载 2114K]
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  • 理工融合 协同育人 建设一流应用物理学本科专业

    文德华;邓文基;杨中民;

    在国家启动一流本科专业建设"双万计划"的大背景下,如何在粤港澳大湾区建设国家级一流应用物理学本科专业?这是本文将要重点探讨的问题。我们将借鉴国内外一流高校应用物理学专业建设经验,对接国家和区域的经济、社会发展需要以及战略新兴产业的需求,结合粤港澳大湾区的地缘优势及大科学装置群集优势,通过深度的理工融合,全方位的协同育人,加强专业建设,优化培养方案,提升培养质量,从而实现"做优理科"战略,建成国家级一流应用物理学本科专业。

    2021年03期 v.31;No.203 55-58+66页 [查看摘要][在线阅读][下载 1579K]
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  • 对分课堂在应用型院校基础物理实验中的探索与实践

    赵丽华;牛海波;王小克;刘会玲;雷玉明;韩星星;

    针对应用创新型人才培养突出能力培养的要求以及应用型高校基础物理实验教与学中的问题进行了分析,提出将对分课堂引入基础物理实验教学,构建了讲授-内化-讨论-操作(PADO)线上线下混合的实验对分课堂模式,并建立量化评价体系全方位评估了PADO模式在课前预习、课堂讨论、实验操作、课后报告环节中的应用效果,结果显示对分课堂能显著提高学生能动性,提高学生学习兴趣以及教学效果,真正使教师变成引导者,有效破解了当前教学难题,具有推广价值。

    2021年03期 v.31;No.203 59-66页 [查看摘要][在线阅读][下载 2663K]
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  • 在线教学多维互动策略的探索与实践

    孙燕云;徐利华;何钰;吴平;欧凯;

    在线教学互动面临着信息交流渠道扁平化和学生学习状态不可知化的双重挑战。探讨如何突破在线教学互动的时空壁垒具有非常重要的现实意义。多维化的在线互动策略由基于社交软件的日常互动策略、基于直播课的在线互动策略和基于线上学习平台的其他互动策略构成。基于社交软件的在线互动不宜过分强调互动的同时同步性以便给更多的学生创造自由探索的机会。直播课的在线互动包括基于线上学习平台的预习评估交互和基于直播平台的夯基础、拓广度、求深度的教学交互。基于线上学习平台的其他互动主要聚焦在以同伴互评推动多人互动和以思维导图激活自我互动两方面。线上教学互动是有机整合各教学实体的关键要素,多维互动突破了时空的局限,它强调讨论,更强调主动建构、自我反思。关于多维互动策略的探讨不仅对在线教学非常必要,也对传统的课堂教学也具有积极意义。

    2021年03期 v.31;No.203 67-72页 [查看摘要][在线阅读][下载 2328K]
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  • 中国科技前沿元素在大学普通物理教学中的渗透

    刘作业;丁晶洁;王集锦;张鸿飞;杨毅;胡碧涛;

    如何在理工科专业课的活动教学中有效地润物细无声地开展思政教育成为了新时代大学教育教学工作值得深思的一个问题。我们在大学普通物理的课堂教学中进行了新的尝试:在进行基础物理理论讲授的同时,引入了最新的中国科技前沿成果,渗透进了中国科学家的故事。有机融合课程思政教育和创新能力培养,在激发了他们的科研兴趣、培养创新能力的同时,使学生对中国科技发展现状有了全新的认识,在"不经意间"激励学生的家国情怀、提升民族认同感,树立正确的人生观。

    2021年03期 v.31;No.203 73-77+84页 [查看摘要][在线阅读][下载 1792K]
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  • 基于虚拟仪器构建新型物理虚实结合教学模式

    郝军华;王云峰;王士福;王玉芳;

    基于当前社会发展以及教育应用型和职业化的特点,物理教学应侧重于提高学生创新能力和动手能力,其中,将物理理论教学和实验教学相结合可作为途径之一。以此思路为基础,文章融合现代仪器技术和计算机技术,在调整物理理论和实验课程设置的基础上,以虚拟仿真实验为纽带,将物理理论教学与实验教学无缝衔接在一起,加深学生对物理原理及适用范围的理解,提高其实验技能和创新能力,从而增强物理教学效果,为培养应用型和职业化人才提供支持。

    2021年03期 v.31;No.203 78-84页 [查看摘要][在线阅读][下载 2311K]
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  • 工程仿真软件在大学物理课堂教学中的运用

    张亮;

    工程仿真软件的应用对于提高大学物理课堂教学感受性具有积极的推动作用。传统大学物理课堂教学环节中,使用仿真软件进行演示的目的较为单一,缺乏对课程基础性、外延性的突出以及与教学内容实践意义的联系。为了进一步贴合"新工科"的教学需求,丰富课堂教学手段,凸显大学物理课程基础性和延拓性,提升课堂教学质量,本文以电磁工程仿真软件在麦克斯韦方程组课堂教学中的运用为例,从教学内容设计、教学效果和教学要求等方面分析探讨了工程仿真软件在大学物理课堂教学中运用的潜力和可行性,为探索提升大学物理课堂教学效果方法提供了一种新思路。

    2021年03期 v.31;No.203 85-91页 [查看摘要][在线阅读][下载 2442K]
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课程思政

  • 在大学物理力学中的课程思政实践

    蒋最敏;魏心源;

    课程思政建设是为了在尊重课程自身建设规律的前提下,实现价值引领、知识传授、能力培养三位一体的课程目标。课程思政建设和课程质量提升的内在目标应是一致的。我们以"大学物理A:力学"课程中变质量体系和角动量守恒定律的教学实践为例,对教学内容深化、拓展,结合中国火箭技术发展和矢量发动机研制成果以及在脉冲星导航技术研究方面的探索,把课程思政教育自然融入专业教育。无论在知识内容的深度和广度上,还是在知识内容实际应用的感性认识方面,课程质量和育人效果都得到了明显提升,实现课程思政教育和课程质量相互促进、相得益彰。

    2021年03期 v.31;No.203 92-96页 [查看摘要][在线阅读][下载 1905K]
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  • 文科物理课程中课程思政的教学探索与研究

    张加驰;慈志鹏;王得印;李颖弢;徐远丽;

    本文结合物理课程特点和国情价值观,提炼出了物理课程思政教育的基本要素框架。同时,我们以《文科物理》为实践课程,根据要素框架设计了课程思政案例,并以趣味漫画为案例载体引入课堂教学,通过实验班和对照班的对比开展教学实验及研究。结果表明:在物理课堂教学中引入课程思政案例,不仅能有效提高学生的思想道德认知,也能提高学生的课堂注意力,从而提高学生对专业知识的学习兴趣及效果,但教师会付出更多的备课时间。

    2021年03期 v.31;No.203 97-101+107页 [查看摘要][在线阅读][下载 2292K]
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  • 西藏高校物理课程思政初探

    王梓名;张为;杨晓荣;

    课程思政是课程教学中落实立德树人宗旨的重要途径。针对西藏高校物理课程如何更好地发挥育人功能的问题,提出基于藏族优秀传统文化来开展物理课程思政建设。首先阐述了基于藏族优秀传统文化进行物理课程思政的必要性和可行性,其次挖掘了部分藏族优秀传统文化中的课程思政元素,最后简述这些思政元素如何与专业知识有机融合以形成物理教学资源,提高西藏高校人才培养质量,有效引导学生成长成才。

    2021年03期 v.31;No.203 102-107页 [查看摘要][在线阅读][下载 1913K]
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物理实验

  • 三维打印技术在柱状晶体结构研究中的应用

    王家毅;吴钦杰;廖彬;吴红凯;韩志洋;陈浩基;

    等积球体在无限长圆管中的周期性最密堆积结构,可称之为柱状晶体。这类系统的最密结构种类繁多,并随着圆管与球体的直径比D连续变化。在一些较大D值的情况下,晶胞的颗粒数较多,晶胞结构在空间限制的影响下也变得异常复杂。要理解晶胞中每一个球体的排布和它怎样受到其他球体与圆管壁的影响,是一大挑战。本文提出,我们可以通过打印三维实物模型,去窥探复杂晶体结构中球体的空间排布以及球与球之间的接触网络。本文展示,这类柱状晶体结构可以通过熔融沉积成型、光固化快速成型、粉末烧结这三种不同的技术进行三维打印,并仔细讨论每种技术的流程、注意事项、利弊。

    2021年03期 v.31;No.203 108-112+119页 [查看摘要][在线阅读][下载 2174K]
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  • 眼镜度数简便测量及镜片面型判别

    周思颖;毛胜春;高博;翟立朋;

    居家自主实验是疫情期间大学开展线上实验教学新的尝试和探索,眼镜度数测量及镜片面型判别是众多创新实验中的一个典型案例。眼镜度数一般是通过专业仪器测量,论文通过分析透射过眼镜的激光点位置会随眼镜的平移而移动这个现象,提出用激光笔和直尺来测量眼镜度数的居家简便测量方案。分析了激光入射角偏转对测量精度的影响并改进了实验方法,同时给出了镜片面型判别的方法。此外本文还采用Tracker视频分析软件来进一步提高测量精度,实现了居家条件下便捷准确测量眼镜度数和镜片面型的判定。

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  • 利用光的反射原理讲解旋转液体抛物液面的焦距与转速的关系

    王伟;谢玄;赵嵩卿;王晶晶;吴冲;

    本文利用几何光学的反射原理,以一种较为直观的方法对旋转液体抛物液面的焦距与转速之间的定量关系进行了理论推导,一定程度上为同学们深入理解该实验的基本原理提供了帮助。同时,在实验室现有的旋转液体综合实验仪的基础上,对旋转液体抛物液面焦距的测量方法进行了优化,并对不同转速条件下液体抛物液面的焦距进行了实验测量;同时利用拟合曲线图的形式,对旋转液体抛物液面焦距的实验测量值和理论计算值进行了比较,结果表明实验测量值和理论计算值具有很好的吻合性。

    2021年03期 v.31;No.203 120-123+96页 [查看摘要][在线阅读][下载 2051K]
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  • 玻尔共振实验相空间拓展研究装置设计

    陈褚鸿续;张亚萍;王书磊;梁燕旋;

    本文针对玻尔共振实验设计了一套基于电子陀螺仪和三轴加速度计,配合Arduino的振动角度和角速度采集装置。本装置可以对玻尔共振仪摆轮的运动状态进行测量,并在此基础上绘制相图。实验分析了多个稳定受迫振动周期下使用该装置测量的振动角度,角速度数据。实验结果表明测量角度的相对误差在0.8%以内,测量角速度的相对误差在0.5%以内。本装置采集数据间隔较短,误差小,绘制的相图精度较高且连贯性好,可以满足实验拓展需求。这项功能改进提升了实验数据采集的信息化程度,增加了原有实验项目的实验内容,可为玻尔共振实验的拓展研究和教学创新设计提供一定的借鉴和技术支持。

    2021年03期 v.31;No.203 124-128页 [查看摘要][在线阅读][下载 2326K]
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  • 基于全反射原理液体折射率测量装置的设计与制作

    金泽华;孙丽媛;臧剑文;赵会敏;

    液体折射率是表征液体光学特性的重要参数,在许多研究领域对液体的折射率进行直接测量是十分必要的。本文依据全反射定律的物理原理并运用现代传感器技术完成了对透明液体的折射率测量装置的设计与制作,可以实现透明液体折射率的实时测量,相对误差较小,具有成本低、快捷有效等特点,在实验技术等研究领域具有一定的应用价值。

    2021年03期 v.31;No.203 129-132页 [查看摘要][在线阅读][下载 2015K]
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