物理与工程

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教学研究

  • 物态方程曲面上临界点高斯曲率的物理意义

    熊跃龙;叶海明;杜文康;王鑫;刘全慧;

    物态方程曲面在临界点的高斯曲率为零与否,完全由压缩率临界指数确定。根据微分几何中高斯曲率-局部曲面形状之间的关系,可以推知一个高斯曲率-临界指数关系:相变点两侧的压缩率临界指数只有两种情况,都等于1或者同时大于1。作为高斯曲率-临界指数关系的一个检验,我们直接计算理想玻色气体物态方程曲面在临界点的高斯曲率,发现临界指数大于1,这一点和实验结果相符。

    2022年04期 v.32;No.210 5-7+23页 [查看摘要][在线阅读][下载 1158K]
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  • 黑洞熵的面积律到底特殊在哪里

    许天赐;曾定方;刘全慧;赵柳;

    一般无引力系统熵的体积律是一个被广泛相信并常被用来论证黑洞熵面积律特殊性的重要说法,然而这个说法和论证都是错误的。事实是,一般热力学系统的熵跟其所占据的空间体积关系非常弱,可以说几乎无关,但是跟我们建立统计描述于其行为之上的基本/微观粒子的数量成正比。黑洞熵的面积律只是这一基本事实的一个正常案例,其特殊性在于,黑洞熵并不起源于构成黑洞的那些普通物质粒子的随机运动,而是起源于那些粒子在引力驱动下集体运动模式的随机性,是这些集体运动模式的质量正比于黑洞质量倒数因而数量正比于质量平方的事实导致了面积律。如果黑洞熵起源于构成黑洞的那些标准模型粒子的随机运动,粒子数正比律将导致熵的直径律而不是体积律或其他类型体积依赖性。

    2022年04期 v.32;No.210 8-15+63页 [查看摘要][在线阅读][下载 1197K]
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  • 粒子物理标准模型的规范等级问题

    王雯宇;庞维晨;武珂运;

    粒子物理标准模型虽然取得了巨大成功,但是模型本身还存在规范等级问题。本文从教学的角度上分析了规范等级问题的意义。标准模型中光子、电子以及其他费米子和规范玻色子质量辐射修正因为有对称性保护而没有二次发散,而希格斯粒子的辐射修正却存在明显的截断能标的二次依赖关系,同时也会依赖与非标准模型的重粒子。本文还挑选了大学物理中精细调节的例子来说明此问题,说明解决希格斯粒子的规范等级问题也是构建新物理模型的重要动机之一。

    2022年04期 v.32;No.210 16-23页 [查看摘要][在线阅读][下载 1273K]
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  • 量子力学思辨式教学初探

    张盈;

    在近十年的教学改革实践中,西安交通大学量子力学课程教改、团队建设取得了长足发展,经历了从传统知识传授到优良品行塑造的转变,是新时代立德树人目标指引下教改实践的一个缩影。其中既有对前辈授课经验的继承,也有年轻一代的思考与创新,结合不断涌现的各类新兴教学模式,量子力学教学基本形成了以思辨式教学为特色、通过引导学生进行因果分析、逻辑判断形成正确的世界观为目标的教学新模式。从当前的视角回顾这个过程中,与大家分享改革的体会,为培养德才兼备的时代新人抛砖引玉。

    2022年04期 v.32;No.210 24-29页 [查看摘要][在线阅读][下载 1161K]
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  • 非均匀折射率场中光传输现象研究

    朱闻睿;梁元昊;王晓杰;王槿;

    海市蜃楼是一种非常有趣的光学现象,其本质是由于光在非均匀折射率介质中传输时发生的折射和全反射现象。本文基于费马原理与拉格朗日方程在理论上推导出了光在非均匀折射场的传输方程。然后通过数值模拟成功复现了光在非均匀折射场中传输的图像与相应蜃景图像。最后,通过实验研究了不同入射角度下光线传输规律和海市蜃景现象,实验结果与理论符合较好,验证了上述理论分析的正确性。

    2022年04期 v.32;No.210 30-36页 [查看摘要][在线阅读][下载 1548K]
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  • 利用变分法近似求解重力场中理想气体的热力学量

    侯吉旋;

    计算重力场中的理想气体的热力学量是统计物理教学中的一个重要问题。将重力场中的气柱近似地分为上下两部分,上部没有气体分子而气体分子均匀地分布于下部,通过对自由能的变分得到上下两部分的分界面,进而可以近似求解该系统的热力学量。

    2022年04期 v.32;No.210 37-38页 [查看摘要][在线阅读][下载 1132K]
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  • 有限元仿真辅助电磁场时域频域性质教学

    高永潘;芦鹏飞;王川;

    大学物理教学中,一些实际例子的展示有助于培养学生对于相关现象的物理直觉。本文以加深学生对大学物理电磁场部分中时域与频域的关系的认识为目的,借助现代计算机技术,使用有限元方法实现电磁场教学中时域和频域两种研究方法的实时展示。这种直观的展示有助于加深学生对于物理系统时域演化和频域特性的认识。对于更深入的电磁场频谱的教学,本文则展示了利用时域演化和频域耦合两种方法研究电磁波非线性晶体中传播后的系统频谱特性,并对结果进行对比,该方法有利于学生增强对于电磁场时频特性的理解。在教学过程中,通过快速的演示使得同学在掌握这两种方法的同时充分认识两种方法的有效性和局限性,夯实未来学生工程实践过程中的物理认知。

    2022年04期 v.32;No.210 39-45页 [查看摘要][在线阅读][下载 1577K]
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  • 一般情况下一维双原子链的求解及其色散关系

    刘艳晶;胡建民;王月媛;牛丽;孙文军;

    本文在简谐近似下采用原胞法求解一般情况下的一维双原子链的格波解和色散关系,讨论原子链结构参数对其色散关系的影响以及原胞内原子的振动特点。研究结果表明,晶格常数一定的情况下一维双原子链的色散关系与近邻原子相对间距无关;在布里渊区中心,长声学支格波近似为连续的弹性介质波,而长光学支格波近似为原胞内原子相对振动而原胞质心不动的驻波;在近邻原子间距和恢复力系数均相等的情况下,在布里渊区边界处短声学支格波和短光学支格波分别近似为波节在小原子和大原子的驻波。本文相关内容可为固体物理教学提供优质教学素材。

    2022年04期 v.32;No.210 46-50页 [查看摘要][在线阅读][下载 1259K]
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  • 广义相对论与连续介质力学在几何学中基于张量的统一及其应用

    汪志义;张弛;赵福垚;

    以张量作为工具,广义相对论与连续介质力学可以实现几何意义上的统一。二者的差别在于前者统一的是时空与物质,后者针对的是连续介质模型并需要考虑物性。这种统一具有数学上的形式,但其本质是物理的。这种统一可应用于引力理论和工程力学中的非协调变形等问题,对相关的教学和科研工作有参考价值。

    2022年04期 v.32;No.210 51-56页 [查看摘要][在线阅读][下载 1166K]
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  • AAPT本科物理实验课程学习目标的内涵及启示

    徐平;

    美国物理教师协会发布的“AAPT本科物理实验课程建议报告”中,强调了通过物理实验课程,培养学生具备“像物理学家一样思考”的能力,并提出了本科物理实验学习目标,对物理实验课程的建设和开展基于OBE理念的教学起到了积极的推进作用。本文在介绍AAPT本科物理实验学习目标的内涵和实施建议的基础上,结合我国教育部教学指导委员会现行版的大学物理实验课程教学基本要求,对我国大学物理实验课程的现状进行了分析和思考,并就课程设计和教学方法等方面提出了改进建议,以期为大学物理实验课程教学效果的提升和一流课程的建设提供参考。

    2022年04期 v.32;No.210 57-63页 [查看摘要][在线阅读][下载 1196K]
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  • 基于提高研究生科研能力的现代物理实验课程建设研究

    陈云琳;杨婧;闫君;朱亚彬;彭继迎;

    文章作者对面向物理学和应用物理学专业研究生开设的现代物理实验课程进行了建设与创新,开展基础课程教学与学科科研方向相融合的模式,实现了课程实验专题研究训练,建立了真空技术与镀膜、现代光谱、现代光学、晶体结构与物相、核磁共振和半导体等六个专题实验,探索了以专题型实验串通整个课程教学内容的教学方法和考核机制,有效促进了学生的自主创造性学习,强化了学生综合科学能力的培养。这些尝试可为高等院校物理学研究生的培养和国内院校研究生基础实验课程的教学改革提供一定参考。

    2022年04期 v.32;No.210 64-67+73页 [查看摘要][在线阅读][下载 1262K]
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  • 中学生物理身份认同中的性别差异

    何秀君;黄雨寒;朱广天;

    男生和女生群体在智力水平上没有显著差异,但女生对物理学科的自信程度却远低于男生,陷入身份认同困境。为了解释其中原因,本文选取了155名高中生为样本,用结构方程模型分析性别差异的形成机制,确定了性别对物理身份认同的影响模型。该模型显示外界评价是导致男女生物理身份认同产生分歧的主要原因,女生能感知到更多外界的消极否定,身份认同水平较低;而学生的内在因素如兴趣和能力信念对身份认同的影响效应较小,表明当下高中生的自我发展过度依赖外界导向,缺乏内部动力。

    2022年04期 v.32;No.210 68-73页 [查看摘要][在线阅读][下载 1358K]
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  • 关于大学物理课程思政的若干思考

    金鑫宇;汪亚平;毛新云;宁长春;陈天禄;

    2020年5月,教育部颁布《高等学校课程思政建设指导纲要》,明确了课程思政建设的目标要求和内容重点。自纲要颁布以来,关于大学物理课程思政的观点、思路层出不穷,我们本着“课程思政一直在路上”的原则,在文献调研的基础上,对课程思政的缘起、内涵及当前高校物理类专业课课程思政的做法进行了调研、梳理和分析。结合相关分析,对大学物理的课程思政建设进行了思考,并给出了几个具体的教学案例设计,希望能够为课程思政建设更成熟的实施方案提供助力。

    2022年04期 v.32;No.210 74-83+90页 [查看摘要][在线阅读][下载 2142K]
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  • 医药类专业大学物理课程现状调查研究

    刘凤芹;张琦玮;刘建强;

    教育部高等学校大学物理课程教学指导委员会医药类专业物理工作委员会对医药类专业大学物理课程现状采用问卷调查的形式对76所学校从事课程教学的教师信息、课程设置、课程建设、意见建议、新冠疫情防控期间授课等情况进行调研分析,多维度反映了医药类专业大学物理课程的发展现状。明确、量化的调查结果为教育主管部门、大学物理教指委、高校等提供翔实的数据和资料,为进一步规范课程和提高课程质量提供依据和指导。文章对调研结果进行了分析和研究,从政策层面、提高教师自身素质、创新教学模式给出了未来课程发展的几点建议。

    2022年04期 v.32;No.210 84-90页 [查看摘要][在线阅读][下载 1190K]
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  • HPS模式在医学院校医用物理课程思政教学中的应用

    黄菊英;张海霞;黄晓清;李姗姗;薛艳丽;熊华晖;郭江贵;许莉莉;曲典;郭学谦;

    HPS(History, Philosophy and Sociology of Science的缩写)是20世纪90年代英国教育家M. Monk和J. Osborne提出的教学模式。利用HPS教学模式,将思政元素融入到医用物理课程教学中。对医学院校医用物理课程理论性强的特点,提出了医用物理课程思政的实践原则,分析了实践效果,讨论了实践过程中存在的困难以及对应的解决办法。这些研究有利于充分发挥医用物理课程的立德树人的功能,有利于培养学生的唯物主义历史观、爱国主义情操、正确的价值观及社会责任感,为医科大学物理课程思政教学实践提供一些参考和借鉴。

    2022年04期 v.32;No.210 91-95+100页 [查看摘要][在线阅读][下载 1279K]
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  • 树立以学生发展为中心的理念 促进大学物理课程体系的改革与创新

    沈黄晋;王建波;乔豪学;黄慧明;周国全;

    本文基于国内高等教育所面临的“重科研,轻教学;重专业、轻基础”的双重现状,以本科大学物理教学为切入点,分析了大学物理教师参与教学研究和教学改革的积极性不足;大学物理基础课的教学地位长期得不到足够的重视;学生对大学物理的学习积极性不高等基本现状;提出了有关物理教学的若干改革与创新的路径:加强基层教学组织和制度建设,促进教师教学水平的提高;坚持课程思政,开展教材建设和MOOC建设,努力提高课堂教学质量;积极进行课程教学的制度建设;创新建设以学生发展为中心的学习评价体系;并持续多年进行了有益的教学改革实践,取得了显著成效,其中若干教改经验总结于本文,以飨同仁。

    2022年04期 v.32;No.210 96-100页 [查看摘要][在线阅读][下载 1257K]
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  • “科教融合”在《光学》专业教学实验中探索与实践——以“光的力学效应及光阱力测量实验”为例

    王自强;龚雷;卢荣德;李银妹;

    如何实现科研和教学协同发展是目前高校,特别是研究性大学面临的重要课题。中国科学技术大学光镊研究组将科研和教学结合开发了“光的力学效应及光阱力测量实验”物理前沿教学实验,并在开展实验教学过程中将光镊的科研与光的力学效应实验教学相结合,有效激发了学生的科研兴趣,拔高了实验教学层次,取得了良好的教学效果。这是“科教融合”的一个成功案例,对于提升教学质量,培养新世纪高素质、拔尖人才,具有借鉴意义。

    2022年04期 v.32;No.210 101-105页 [查看摘要][在线阅读][下载 1292K]
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  • 以提高科学素养为目标的探究式物理实验教学设计——以金属线膨胀系数测定实验为例

    段秀铭;易志军;唐军;

    科学素养主要涵盖科学知识、科学的研究过程和方法、科学品质三个方面,提升大学生科学素养是大学教育的重要任务之一。以金属线膨胀系数测定实验为例的探究式课堂教学设计紧紧围绕科学素养的三个方面,以引导式问题驱动为主,对“实验项目的引入,实验方案设计,仪器调试,实验现象的理论猜想”等环节添加情境设计,通过设问和猜想,激发了学生学习兴趣,诱发学生思考,有效提升了学生的科学素养。其他学科类实验,均可以以此实验教学设计思路为借鉴,打造有特色的自主研究式实验课堂,培养学生的科学思维能力及提高科学素养。

    2022年04期 v.32;No.210 106-110页 [查看摘要][在线阅读][下载 1176K]
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  • 基于“软件+案例库”的运筹学课程改革

    于金秀;

    经管类专业《运筹学》教学案例库建设是实施案例教学的基础工作,将软件实现加入到案例库中,是将理论付诸实践的关键。针对传统教学模式在运筹学教学中的缺点,文章提出了基于“软件+案例库”的运筹学课程教学改革,阐述了案例教学法的优势以及解决运筹学问题的常用软件,提出了教师在选择案例的时候需要遵循的原则。并根据实际需求,构建了具有操作性、专业性、规范性的案例库建设内容,为基于“软件+案例库”运筹学教学课程改革提供了建议。

    2022年04期 v.32;No.210 111-114页 [查看摘要][在线阅读][下载 1206K]
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  • 薛定谔方程引出过程中存在的问题及解决方案

    蔡志东;

    本文介绍了部分量子力学教材中薛定谔方程的引出过程,并指出其中存在的问题,即能量E和动量P的物理意义前后不一致:在讨论平面电磁波和算符与物理量之间的对应关系时,认为能量E和动量P是相对论性的,而在讨论能量和动量的关系时,却认为能量E和动量P是非相对论性的,即认为在低速条件下,物体的能量包含了经典动能和势能,而经典动能等于动量的平方除以静止质量的两倍。有人可能会产生一个疑惑,既然能量E和动量P都是非相对论性的,那么为什么我们仍然可以用能量算符和动量算符来分别对应能量和动量?要知道,这种对应关系只有在相对论性条件下才能成立。本文将对这一问题作一个合理的解释,以表明三种近似方法的结果是一致的。一种方法就是传统的做法,虽然这会导致E、P前后物理意义不一致的问题,但不影响最终结果。第二种方法是从爱因斯坦能量—动量公式出发,保留E和P的相对论性,级数展开后,把能量算符和动量算符代入展开式,引出级数形式的波动方程,然后通过适当的近似,引出常见的薛定谔方程。这样做的好处是,可以避免E、P物理意义前后不一致而引发的问题,即在经典能量和动量情况下,算符和物理量之间的对应关系到底是否可用的问题,从而消除了学生的疑虑。第三种方法就是直接从相对论性的克莱因—高登方程出发,通过近似处理得出薛定谔方程,但是,这种方法虽然严密但较为复杂。

    2022年04期 v.32;No.210 115-124页 [查看摘要][在线阅读][下载 1211K]
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物理实验

  • 清华大学H5数值仿真物理实验建设

    顾晨;张留碗;魏斌;李岩松;马泊一;陈信义;安宇;王青;

    清华大学物理系自2020年10月开始HTML5数值仿真物理实验(Numerical Simulation Experiment of Physics,简称NuSEP系统)建设工作,已经建成32个仿真实验,覆盖物理学多个方向。首期目标是全面支持清华基础课课堂教学、实验教学与对外科普宣传。建设过程得到多所院校、专业科研机构的支持。本文首先回顾了NuSEP系统建设背景,之后重点介绍NuSEP系统建设目标、建设思路、建设流程、建设要点与难点以及初步应用体验。期望与国内国际同行探讨合作开发与开放模式。

    2022年04期 v.32;No.210 125-130页 [查看摘要][在线阅读][下载 1240K]
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  • 对斯特林空气热机实验的分析

    路峻岭;顾晨;任乃敬;马泊一;

    斯特林空气热机是大学物理热学教学中很流行的一种演示实验热机,它的结构特点是在气缸中设置了两个活塞:一个是工作活塞,它的运动与工质的热力学循环相关;另一个是换位活塞,它的运动可使工质分别处于高低温两个不同的热源区。机械连接使两个活塞作简谐振动,且使两者振动的相位差为90度,则工质的热力学循环即表现为由两段等温线和两段等容线围成的封闭循环。工质处于高温热源区时,作等温膨胀的循环为正循环;作等温压缩的循环为逆循环。正循环工作的斯特林空气热机是一种动力热机,可以从高温热源吸热向低温热源放热并对外做功;逆循环工作的斯特林空气热机是一种制冷机,在外界做功的前提下可以从低温热源吸热并向高温热源放热。

    2022年04期 v.32;No.210 131-135页 [查看摘要][在线阅读][下载 1433K]
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  • 浅谈医学物理实验教学内容设计——以“A型超声原理及应用实验”为例

    苏卫锋;冀敏;

    本文以“A型超声原理及应用实验”为例介绍医学物理实验教学内容设计。实验内容设计分为三个层次,以突显典型的学科交叉实验的特点。这三个层次分别是:物理原理与实验设计、物理与医学相结合的探究、具体医学应用的实践。教学内容围绕这三个层次展开,希望能在医学类专业学生物理实验学时减少的背景下,力求做到更高效的实验教学。

    2022年04期 v.32;No.210 136-139页 [查看摘要][在线阅读][下载 1384K]
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  • 铅笔导线的电路特性浅析

    李培增;王槿;惠王伟;王晓杰;严振华;

    纸基器件以其低成本、高便携性、安全环保和工艺简单等特点,逐渐成为研究的热点。本文选题来自于2020年国际青年物理学家锦标赛第十题,“Conducting Lines”。在本文中,我们设计实验方案,搭建了控制压力变量的画线实验装置,用铅笔制作了不同类型的电阻和电容型纸基器件。对铅笔画出的“导线”构建的纸基器件进行测试,并从等效电路原理出发分析,测量了相关电学参数并探究其直流和交流特性。实验结果与理论分析符合较好。本文工作提供了一种简单易行的基于纸基器件的电路特性的教学实验方法,适用于本科实验教学。

    2022年04期 v.32;No.210 140-144页 [查看摘要][在线阅读][下载 1452K]
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  • 利用智能手机磁传感器研究磁阻尼摆运动

    王锦辉;赵西梅;孙存英;周红;王宇兴;

    基于Phyphox手机App,将圆柱形钕铁硼磁铁构成的单摆放在黄铜或铝板表面不同距离摆动,利用智能手机磁传感器研究磁阻尼摆运动。结果表明,相同距离下,黄铜和铝板阻尼系数基本与电导率成正比。对于铝板,磁阻尼摆离开板距离从50mm减小到18mm时,阻尼系数从1.139×10~(-2)s~(-1)增加到1.114×10~(-1)s~(-1),随距离的变化可以用指数函数来拟合。当距离减小到2.5mm时,观察到临界阻尼现象。当磁阻尼摆离开铝板表面距离为18mm,铝板厚度从1.001mm增加到5.615mm时,磁阻尼系数从9.378×10~(-2)s~(-1)增加到1.967×10~(-1)s~(-1)。实验结果与基于磁偶极子的理论模型基本一致。本文所搭建的磁阻尼摆实验装置结构简单,研究内容丰富,特别是能定量地研究磁阻尼现象,可以作为居家物理实验开设。

    2022年04期 v.32;No.210 145-149+182页 [查看摘要][在线阅读][下载 1424K]
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  • 以拉曼光谱技术为引:浅谈大学物理实验中的医学和物理学科交融

    董仕练;唐涵;

    国内的大学物理实验经历了近百年的发展和更新换代,如今的物理实验教学针对的已不仅仅是纯物理专业的学生,大学物理实验已经成为一门面向多种类专业学生的实验型理学公共课。在新时代“十四五”规划的背景下,如何用交叉融合的课程内容培育出更适合社会发展需求的人才?本文希望以拉曼光谱技术为引,针对医学类专业的学生,浅谈一下如何在大学物理的实验教学中将物理与医学进行有意义的学科交融,以期许改变大学物理实验这门课在医学类学生心中的“实验教学实用性不够”“仪器与本专业无关”的陈旧想法。

    2022年04期 v.32;No.210 150-155页 [查看摘要][在线阅读][下载 1695K]
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  • 基于声光效应的声速实验测量和理论模拟计算

    刘会彬;罗锻斌;张孟;

    本文利用声光效应对晶体中声速进行实验测量,通过Matlab编程实现图像识别和数据处理。同时结合以量子力学为基础的密度泛函方法对晶体声速进行理论模拟计算,并对实验结果和理论模拟计算数据及参考文献中的数据进行了对比和讨论,分析了实验中可能产生误差的因素。发现利用计算机对实验图像识别和数据处理可以有效提高实验精度,为将来在高校中开展声光效应相关实验设计和理论模拟计算提供参考。

    2022年04期 v.32;No.210 156-160页 [查看摘要][在线阅读][下载 1326K]
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  • 几何法推导斜入射衍射光栅的波长和实验研究

    陈哲昊;徐思诺;吕昭月;

    通过直接几何光路法和光栅方程法分析了平行光斜入射衍射光栅时波长测量的理论基础。分析表明,几何光路法是斜入射衍射光栅问题的一种严格解法,光栅方程法是几何法的一级近似。实验中以低压汞灯的绿光为基准,通过分光计测量平行光斜入射衍射光栅时紫光的波长。具体方法是:先让望远镜分划板的竖准线对准平行光正入射时绿光衍射线位置,然后转动光栅使紫光与准线重合,由光栅转过的角度获得转动前后的光程差,从而计算出待测光的波长。当使用绿光为基准光时,用几何法和光栅方程法得到的紫光波长均为434.9nm,与理论值的相对误差均为0.2%。

    2022年04期 v.32;No.210 161-164页 [查看摘要][在线阅读][下载 1139K]
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  • 热膨胀式电流计的设计与可行性分析

    柯春旭;方爱平;刘萍;田蓬勃;喻有理;王小力;张修兴;

    本文设计了一款应用电流热效应测量电流大小的仪器:热膨胀式电流计。该电流计主要由电流反馈部分、放大部分、环境控制部分组成。依靠电流热效应与金属热胀冷缩,将电信号转化为位移信号;随后通过光杠杆法对微小变形进行放大,以提高测量精度并控制误差;通过控制环境变量的方法,减小测量影响因素,提高电流计的适用范围。该电流计在测量大电流方面具有显著优势,并且对于电流过载具有较强的耐受能力,在电流监测方面拥有广泛应用空间。

    2022年04期 v.32;No.210 165-170页 [查看摘要][在线阅读][下载 1404K]
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  • 落球法测量液体黏滞系数的实验探究

    宛天健;刘立英;段博方;原安娟;王吉有;

    黏滞系数是描述液体内摩擦性质的一个重要物理量,在工业、农业以及医学方面有着重要的应用。在黏滞系数的诸多测量方法中,传统的落球法现象直观,被广泛应用于大学物理实验。然而,目前落球法常用的秒表计时或光电门计时都会代来很大的不确定度。对此,我们提出了全新的测量理念——低速摄影法。与传统光电法以及CCD法不同,我们放慢视角,设置较长的曝光时间,用每张图片记录下小球“单位时间”下落轨迹。基于轨迹长度以及曝光时间等参数,可以直接算得小球匀速下落速度,进而求得黏滞系数,具有响应快、精度高、装置简的优势。进一步的,基于低速摄影法,实验观测到高速下落的小球受涡流、压阻作用而旋转、偏离竖直线的现象,并结合数据与模型探讨了其对结果的影响。分析表明,落球法测量黏滞系数实验中可通过小球密度和半径的调节来控制落球速度,有效避免涡旋和压阻带来的误差。

    2022年04期 v.32;No.210 171-177页 [查看摘要][在线阅读][下载 1356K]
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  • 串联RLC谐振电路特性研究实验方案改进

    白云;秦羽泽;解景舜;邱菊;赵金良;薛红玲;

    RLC谐振电路实验中,电路中电流随信号频率改变及信号源存在输出阻抗,导致信号源输出电压随信号频率改变,对谐振曲线的通频带宽度及品质因数的测量结果产生影响。本文通过改进实验测量方法,同时测量RLC电路端压和电阻R两端电压,并根据欧姆定律,提出了修正RLC谐振电路实验中端压改变的理论公式,可以推算出谐振电路端电压为任意恒定值时的电流,解决了信号源输出改变对测量结果的影响,免去了实验中对信号源输出电压进行反复调整的步骤。验证实验结果表明修正公式及方法是正确的。

    2022年04期 v.32;No.210 178-182页 [查看摘要][在线阅读][下载 1227K]
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  • 高温合金熔体密度的教学过程设计

    王海鹏;邹鹏飞;

    密度是十分基本且非常重要的物理量,但密度十分常见,因此在高温合金熔体性质教学和学习过程中,常常重视不够,以致影响对高温熔体性质的认识。本文根据高温合金熔体的基本物理化学性质,创新教学方法,精心进行教学过程设计,首先以航空发动机用Inconel718合金的固态和液态密度随温度的变化作为切入点,抓住学生的学习兴趣点,进而“有设计”“有构思”地引出密度测定为什么难、如何进行实验测定、典型的密度变化规律等体系化的知识。这一教学过程设计生动形象地讲授了高温合金熔体密度的课堂内容,深化了液态金属结构与性质的教学效果。

    2022年04期 v.32;No.210 183-188+196页 [查看摘要][在线阅读][下载 1272K]
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  • 基于电子光栅遮光效应的织物编织密度检测方法

    张博;钟平;李博;

    对光栅遮光效应产生莫尔图案的机理进行了分析,提出了变常数电子光栅的概念,阐述了变常数电子光栅的生成方法,并提出利用图像灰度投影算法、线性拟合及最大偏离值处理等算法准确定位投影曲线的特征峰位置,推导了斜纹织物经纬密度的计算公式;设计并搭建了基于变常数电子光栅的织物经纬密度在线检测系统。采用32种不同颜色、不同编织结构的平纹和斜纹织物进行了经纬密度检测。实验数据表明,对于平纹和斜纹织物的检测准确度均高于99.0%。本文所提出的方法突破了实际物理光栅的限制,避免了复杂耗时的图像处理算法,具有装置结构简单、检测算法高效及适用性强等优点,为织物经纬密度在线检测提供了一种创新的检测方法。

    2022年04期 v.32;No.210 189-196页 [查看摘要][在线阅读][下载 1815K]
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  • 干涉仿真实验代码生成器

    张德邻;雷科建;吴澄迪;吴青林;

    为弥补光学仿真实验在本科教学应用中的缺陷,本课题根据干涉较为固定的分析模式——找出相干光源、分析光程差、计算干涉光强,基于Matlab~([1,2])GUI的交互式功能设计出了一种干涉仿真实验代码生成器。将此代码生成器应用于光学干涉教学过程中,同学们就算没有学习过编程也能通过此代码生成器完成多个教材之外的干涉实验仿真,例如非球面牛顿环干涉实验、杨氏双缝干涉受光屏倾角影响实验以及等厚干涉测量头发丝直径实验。并且通过其生成的代码学习干涉仿真实验的设计。此代码生成器能对大多数干涉进行仿真,在降低仿真实验编程门槛的同时也保证了同学们在仿真实验中思考的参与度,补足了现有教学仿真实验系统的缺陷。但其仍有不足:对于多光束的干涉无法进行仿真、生成的代码格式固定、不灵活等。

    2022年04期 v.32;No.210 197-202页 [查看摘要][在线阅读][下载 2023K]
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  • 尺寸效应下平行板电容器的纸张计数装置

    曹小鸽;张艳肖;吴家乐;邱康康;

    目前研发一种新型的、对纸张尺寸和材质无特殊要求的纸张计数装置对造纸业和印刷业有着重要的意义。考虑到平行板的尺寸效应,分别使用理论计算、有限元仿真和实验验证的方法,找出不同尺寸的平行板电容器的电容值随着纸张数量变化的规律。最后用STM32F103C8T6最小系统板作为控制中心,由平行板电容器、FDC2214电容传感器、人机交互系统构成一种纸张测量装置。该装置在用标准A4纸张校准后,在60张内计数的准确率高达100%。该装置还可以用于其他绝缘类纸张或布匹等的数量检测。

    2022年04期 v.32;No.210 203-209页 [查看摘要][在线阅读][下载 1765K]
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前沿物理与工程之超导量子

  • 超导量子比特耦合与测控的物理原理

    宿非凡;杨钊华;

    把多个超导量子比特耦合起来并实现对它们的测控是实现超导量子计算的重要一步。作为“物理前沿介绍——超导量子计算”系列的第四篇,本文系统阐述超导量子比特耦合,操控与测量的物理原理,并给出了一套基本的量子操控与测量的流程。作为例子对新近一些超导量子比特实验的设计方案进行讨论,最后对超导量子比特测控基础表征过程给出统一的流程图,并对超导量子计算进行了展望。本文旨在帮助广大高校物理专业教师、高年级本科生、研究生以及对超导量子计算感兴趣的理工科背景读者系统了解操控与测量超导量子比特的物理原理。

    2022年04期 v.32;No.210 210-217+228页 [查看摘要][在线阅读][下载 1781K]
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物理与工程

  • 基于光电传感原理的人流量监测和查询智能分析系统研制

    刘效银;郭珺;霍英宁;柏杨;张亚萍;范中勇;刘平安;

    基于光电传感器和远程信息通信技术,设计了一种人流量智能监测装置,实现对特定场所人流量的监测。当人经过时,传感器发射的光线被反射到光伏电池上,产生电动势,发出高电平给单片机GPIO接口,并将数据通过数码管进行显示。装置中设置数据传输模块,利用阿里云平台进行数据传输。该智能分析系统以NodeMCU Lua V3物联网开发板为基础,用户可以在微信小程序中查询教室、图书馆等场所的空余座位数,选择合适的学习场地方案。对光电传感器检测灵敏度测量结果表明,该分析系统可以帮助用户确定出最佳学习场所选择的距离范围,系统监测和查询结果稳定,具有较好的应用前景。该研究作为物理实验教学应用拓展研究内容的典型案例,对促进实验教学与实际结合起到重要作用。

    2022年04期 v.32;No.210 218-223页 [查看摘要][在线阅读][下载 1564K]
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  • 关于风力发电机中安装角理解的探讨

    陈岳恒;邱泽亮;马春涛;徐嘉磊;贾春阳;

    风能是现阶段发展最迅速,实现商业化最为经济的一种新能源,它的主要利用方式是风力发电。风力发电机是风力发电的核心部件,而安装角(浆距角)对于风力发电机又有着极其重要的作用。本文旨在讨论风力发电机中安装角的理解,并结合实物与目前正在使用的相关技术,分析了风力发电机中安装角的结构与功能,帮助同学们理解改变安装角对风力发电机的调控,使风力发电机发电效率更高,最终使同学们能很好的掌握风能、风力发电与控制技术这一章的知识。

    2022年04期 v.32;No.210 224-228页 [查看摘要][在线阅读][下载 1382K]
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