物理与工程

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教学研究

  • 荧光显微光谱成像系统及教学设计

    刘东奇;鄢小卿;惠王伟;王槿;孔勇发;

    本文介绍了一种自组荧光显微光谱成像系统。该系统性能稳定、功能多样,可以实现空间显微分辨和光谱探测功能的有机结合,具有白光照明成像、激光激发荧光成像、显微光谱成像、荧光光谱探测和应力调控等功能。实验结果表明,该系统的光学分辨率385nm,光谱分辨率小于1nm,可以完成量子点和单层二维材料的荧光光谱探测、白光照明成像和显微光谱成像等。依托该系统设计开展的实验内容充足、层次分明,可满足不同学生的学习需求,为目前国内荧光光谱相关的物理实验教学提供思路。

    2022年06期 v.32;No.212 5-10+20页 [查看摘要][在线阅读][下载 363K]
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  • 将课堂学术辩论融入工科大学物理的教学实践

    邝泉;邓文基;黄晓东;李潮;

    华南理工大学坚持以学生成长为中心,提出新工科建设F计划,努力培养“三创型”(创新、创造、创业)工科领军人才。借鉴中国大学生物理学术竞赛(CUPT)模式,笔者构建了“启发思辨”的大学物理教学模式,可将物理学术辩论有机融入工科大学物理的课程教学中。本文具体介绍了大学物理课程引入课堂物理学术辩论的教学实践,包括课堂学术辩论的选题、融入课堂学术辩论的教学安排、学术辩论课的流程设计,以及课堂学术辩论对工科学生的裨益。实践表明,课堂物理学术辩论有助提升大学物理课程的高阶性、创新性和挑战度,从而培养新时代工科学生的学习力、思想力和行动力。

    2022年06期 v.32;No.212 11-15页 [查看摘要][在线阅读][下载 206K]
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  • 从Duhamel原理观点看Duhamel积分

    王怀磊;

    本文研究数学物理中的Duhamel原理(齐次化原理)与单自由度线性振动系统中的Duhamel积分之间的内在联系。从一般Duhamel原理思想出发,导出了Duhamel原理应用于单自由度线性振动系统时的两种积分形式,称为第一积分形式和第二积分形式。提出了贡献度函数的概念,探讨了两种不同贡献度函数及相应的两种积分形式的物理意义及各自之间的相互关系。通过进一步求解贡献度函数,揭示出单自由度振动系统中与Duhamel原理积分形式所对应的具体数学表达式即为系统的Duhamel积分,最后基于贡献度函数概念总结了Duhamel积分的物理意义。

    2022年06期 v.32;No.212 16-20页 [查看摘要][在线阅读][下载 179K]
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  • 从微观角度理解顺磁介质的非线性性质

    徐梓玚;熊跃龙;王鑫;刘全慧;

    假设磁矩和外磁场之间的相互作用服从量子力学,可以建立顺磁介质的微观模型。简单的微观模型是,外磁场中的近独立自旋粒子系统。统计物理计算结果发现磁化率和磁场的关系一般来说为具有非线性性质。

    2022年06期 v.32;No.212 21-23+33页 [查看摘要][在线阅读][下载 213K]
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  • 拉曼光谱在二维材料研究上的应用

    蒋彬;丁宇龙;赵福利;罗鑫;

    新时代研究型大学要求我们在本科教学中做到基础教学与创新性研究相统一,拉曼散射实验作为近代物理学经典实验之一,在前沿科学研究中有着广泛的应用。二维材料是近年来凝聚态物理与材料科学研究的前沿交叉领域,本文介绍了拉曼光谱技术的基础原理,并系统地概述了拉曼光谱技术在二维材料的结构相变、厚度与成分表征的应用。希望以拉曼光谱在二维材料的表征应用为范例,在大学本科生的创新性实验中引入新的教学内容与实验方法,让学生们了解拉曼散射的应用前沿,激发学生的研究兴趣,提升学生的创新能力,为大学的创新实验与近代物理实验提供新思路。

    2022年06期 v.32;No.212 24-33页 [查看摘要][在线阅读][下载 723K]
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  • 磁场中有限长铁钉稳定位形和相变

    张千;王雯宇;杨旭东;

    磁铁附近磁场中铁钉站立和倒下是一个常见的现象,本文通过计算无限长导线、平行无限长导线及圆环电流磁场中有限长度铁钉势函数,分析势函数稳定点的位置来判断铁钉的指向。当考虑铁钉固有磁矩后,铁钉移动过程中所处位置由一个亚稳定点变成了一个非稳定点,铁钉随后就倒向了稳定点。我们利用描述对称性破缺的朗道连续相变理论来分析相变之后稳定位形的具体规律。结果表明相变之后稳定位形与朗道连续相变理论预言的临界指数非常符合,铁钉的站立和倒下这样常见现象可以作为讲解相变理论经典力学例子。理论物理的抽象概念在经典物理世界找到对应,深刻体现了物理理论的美妙。

    2022年06期 v.32;No.212 34-45页 [查看摘要][在线阅读][下载 599K]
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  • 薄膜干涉中附加光程差及干涉条纹公式分析

    冯立芹;李春芝;

    现行许多教材对薄膜干涉中附加光程差和干涉条纹公式的表达书写不够统一,使得学生在学习过程中,对半波损失引起的附加光程差的表达及干涉级次的理解存在一定的困惑。针对此种情况,本文就薄膜干涉中半波损失相关的干涉级次问题,结合干涉级次取值特点及物理意义,详细地分析了薄膜干涉中存在半波损失时附加光程差的不同表达式,给出了不同附加光程差表示下干涉条纹公式的具体形式,对学生理解具有半波损失的干涉有一定的指导作用。

    2022年06期 v.32;No.212 46-48页 [查看摘要][在线阅读][下载 164K]
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  • AI+环境下学生科学探究能力测评研究

    黄华;张睿;潘鑫;

    降低教师重复劳动,提高学习评测的自动化和智能化水平是人工智能在教育评测领域的研究热点之一。在此背景下,本研究设计并开发了基于斜抛运动的探究学习场景,通过搭建人工神经网络,提取参考答案的关键短语辅助分词,训练人工标注的数据完成智能批改算法的设计,并将操作数量与探究结论的比值作为学生探究能力的指标。结果表明,基于辅助分词的人工智能批改算法对问答短句评判有较高的准确性,进而能实现对学生探究能力的评判;高中生中探究能力强的学生比例低于大学生,但相同能力聚类的学生之间能力没有显著差异。

    2022年06期 v.32;No.212 49-56+65页 [查看摘要][在线阅读][下载 522K]
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  • “七维一体”进阶式理论-实验混合式教学设计——以“大学物理与实验课程”为例

    张诗按;吴平颐;邓莉;王文华;齐贵超;景培书;

    基于华东师范大学高校定位与环境生态工程的新工科人才培养目标,有机融合物理理论、生活实验、演示实验、虚拟仿真、基础实验、拓展实验、创新实验,形成进阶式理论-实验课程系列;高度重塑线上线下教学资源,采用分层教学理念与多维度过程性评价方式,深度融合线上线下学习活动,引导学生自主学习、自主实验、开放展示和自我反思,实现自主学习能力的全面提升;通过学生人格、学识、能力的协同培养,使学生获得专业认同感和职业价值感;实现思政教育全方位沁润,树立家国情怀,形成责任担当。课程评教整体良好,以学生为主导的科创成果显著。

    2022年06期 v.32;No.212 57-65页 [查看摘要][在线阅读][下载 857K]
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  • 斜绕螺线管的磁场

    刘世鯤;张树甜;孙敏;黄德财;

    本文采用毕奥-萨伐尔定律,应用矢量叠加原理,推导了斜绕螺线管的磁场的理论公式。首先,对较小螺距的单匝斜绕线圈的磁场进行了定量计算,绘制了对应的磁感应线分布图像,得到类似于单匝理想圆形线圈的磁场分布,验证了推导的公式和数值计算的正确性。然后,定量计算了外接导线下的单匝和多匝斜绕螺线管的磁场分布情况,详细讨论了线圈匝数密度、密集斜绕螺线管长度对磁场分布的影响。结果发现,当匝数密度达到10匝/mm时,对于长度为L=200mm的螺线管,在-0.3L≤z≤0.3L范围内,与螺线管中心处的磁场相比,幅值变化小于4%,可看作均匀磁场。

    2022年06期 v.32;No.212 66-70页 [查看摘要][在线阅读][下载 375K]
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  • 大学物理在线教学中的关键问题及思考

    樊济宇;马海霞;

    本文总结近一年来全国高校开展网络化教学所存在的普遍性问题,包括教学过程、教学管理、学生自主性、教学资源的运用等几个方面,并结合多年的理论学习和教学经验给出相应的策略。唯有尽快纠正当前网络化教学中的不足和缺失,在推迟开学的情况下才能真正实现停课不停学,并按照教学计划保质保量完成教学任务。在文章的最后,笔者提出疫情结束后线上教学和线下教学长期有效结合等对大学物理课程教学改革的相应思考与建议。

    2022年06期 v.32;No.212 71-74+79页 [查看摘要][在线阅读][下载 140K]
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  • 基于计算思维的大学物理模型教法——以理想气体分子速率分布律为例

    谭志光;孙利平;王胜杰;朱培栋;

    本文的目标是在大学物理教学中探讨引入计算思维的模型教学方法。以理想气体分子速率分布律的教学为例:假设从一个热力学平衡系统中采用随机抽样获得了部分理想气体分子的速度,讨论怎样用数值计算的方法分析得到系统中分子速率的分布情况,并引入速率分布函数的定义。通过与麦克斯韦速率分布规律进行比较,进而用Matlab计算工具拟合出了系统的温度,与理想气体的平均平动动能所得到的温度高度一致。总结得出,在大学物理教学中进行计算思维的培养和训练有非常重要的意义,类似的思维训练能较好地提升学生用计算机处理物理问题的能力。本文还提出了作者的一些教法建议。

    2022年06期 v.32;No.212 75-79页 [查看摘要][在线阅读][下载 269K]
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  • 基于OBE理念的物理学术竞赛教育模式

    陈靖;李川勇;陈宗强;余华;潘崇佩;

    为了全面培养物理人才的综合素质,我们设计并实践了基于OBE理念的物理学术竞赛教育模式。教育模式以培养学习能力、创新能力、实践能力、交流能力、科学精神和德育教育等为产出目标,设计教学课程内容、考核方式和辅助支持,以保证全方位整体化教学目标的实现。通过多年实践探索证明,这种精准实时反馈型的教育模式能够可持续良性发展,取得了显著的育人成效。本模式被多所大学和中学采纳实施,促进了中学和大学的紧密合作和有效衔接。

    2022年06期 v.32;No.212 80-86页 [查看摘要][在线阅读][下载 252K]
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  • Maple在大学物理教学中的应用

    孟勇;

    针对大学物理教学中出现的若干问题,将数学软件Maple的四大基本功能用于大学物理各个模块之中。首先在符号演算方面完成了包括动力学习题、亥姆霍兹线圈的磁场分布以及孤立波方程的求解问题。同时在数值计算方面探究了例如有限深方势阱的束缚态能量、椭圆形线圈的电场分布以及在磁场中的弹簧摆运动的问题。此外还通过该软件自带的程序设计功能制作出光栅衍射的效果图、麦克斯韦妖的思想实验程序以及热力学量的计算。最后在图形动画方面中通过画出相轨迹图探究了非线性RLC电路的电学量的变化,并制作出Alpha粒子的散射实验的科技动画和氢原子波函数的交互式动态图,从而展现了Maple软件在公式推导、数据可视化、建模仿真等方面辅助大学物理教学的重要作用。

    2022年06期 v.32;No.212 87-103页 [查看摘要][在线阅读][下载 1021K]
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前沿物理与工程之量子

  • 拓扑新材料研究前沿的理论基础导引Ⅰ:量子霍尔效应

    朱方泽;常治文;黄侯迪;刘鑫;

    本专题旨在为感兴趣且学有余力的本科生和低年级研究生提供一条从大学物理到当前二维、三维拓扑新材料研究前沿的学习路径。专题包含两篇,本文是第一篇。本科生在大学阶段中已修习过电动力学、量子力学、固体物理等课程,但各类教材往往停留在介绍该课程的传统内容,而缺乏向前多走一步、和领域前沿研究相衔接的努力。我们希望能稍微填补这一空当。第一篇从本科生学过的经典霍尔(Hall)效应讲起,首先介绍量子力学是如何被引入二维或(2+1)维霍尔系统研究中的,然后引导到各种量子霍尔效应(包括整数、分数、反常、自旋)及其中的拓扑不变量。

    2022年06期 v.32;No.212 104-120+126页 [查看摘要][在线阅读][下载 710K]
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  • 用基础物理知识诠释前沿科技——从斯特恩-盖拉赫实验到量子弱测量

    吴春旺;张杰;吴伟;张婷;

    利用量子弱测量技术,可使很弱的相互作用引起显著的观测效应,在观测极弱物理效应、量子参量估计、量子态层析等方面发挥重要作用,已成为当前量子测量领域的研究热点。本文以斯特恩-盖拉赫(Stern-Gerlach)实验为切入点,利用大学物理范畴的量子力学知识阐释了量子弱测量的物理图像,并进一步介绍了该领域的前沿进展。本文有助于加深物理教师对量子弱测量这一前沿问题的理解,帮助学生建立清晰的物理图像。在教学过程中引入前沿科技,也有助于激发学生主动探索和进一步研究的兴趣和热情。本文旨在基础物理原理和高新尖技术之间搭建桥梁,有益于大学物理教学拓宽思路、提升品位。

    2022年06期 v.32;No.212 121-126页 [查看摘要][在线阅读][下载 260K]
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物理实验

  • 基于FDTD的超透镜聚焦光场仿真

    董建文;范智斌;陈晓东;陈瑞;赵福利;

    透镜是最基本的光学元件之一,也是基础光学和信息光学等课程的授课重点内容,但由于课时限制等原因,现有的光学课程对透镜内容的介绍仅局限于几何透镜。随着微纳光学的发展,由亚波长结构单元组成的超透镜由于其独特的特性已经被广泛的研究和应用。因此,在光学课程中引入超透镜发展的前沿知识,有助于激发学生对前沿微纳光学的学习兴趣,探索微纳光学领域的奥妙,为推动教研融合做出积极贡献。本文以对偏振不敏感的超透镜光学设计为例,基于FDTD模拟仿真展示平面波通过超透镜后的传播过程和聚焦光场分布。首先,对不同直径的圆柱型亚波长光栅进行全波仿真获得相位信息,根据相位值选取纳米柱单元作为超透镜的元胞结构单元,按照理想聚焦相位分布排布纳米柱从而获得超透镜整体结构,进一步借助FDTD仿真出平面波通过超透镜后的传播光场分布,最后对焦平面聚焦光场分布进行分析和总结。

    2022年06期 v.32;No.212 127-131页 [查看摘要][在线阅读][下载 284K]
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  • 碗中小球问题探讨

    赵德刚;卢星宇;宋泽良;

    在大学物理的教学过程中,笔者遇到一道关于小球在光滑半球形碗内运动的问题,该问题的常规解法是利用角动量分量守恒和机械能守恒进行求解。这种解法由于无法给出小球运动的细节,对于初次接触角动量概念的本科生而言难以直观而深刻地理解。本文将小球的运动在水平面内和竖直方向进行分解,系统分析了小球的受力情况、速度的变化、能量的转化等问题,并通过数值求解拉格朗日方程给出了小球的运动轨迹。我们的方法详尽地阐述了小球的运动过程,展示了一个更加直观和清晰的物理图像。

    2022年06期 v.32;No.212 132-134+141页 [查看摘要][在线阅读][下载 226K]
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  • 居家实验:利用滴重法和悬滴法测量液体的表面张力系数

    李文华;王槿;文小青;

    目前,非实验室环境下开展的基础物理实验教学不仅仅是应对突发公共安全事件的举措,也改变着物理教学的模式。在南开大学居家物理实验教学案例的基础上,给出了在非实验室环境下可较低成本地开展的两种液体表面张力系数测量的实验方案,方案提出利用手机以及简易输液瓶和自动铅笔头可以组装出滴重法和悬滴法测量液体表面张力系数的装置,并利用该装置对自来水的表面张力系数进行了测量,给出了详细的实验设计、测量方案以及测量结果的准确度,进而探讨了其在基础物理实验教学上的适用性。

    2022年06期 v.32;No.212 135-141页 [查看摘要][在线阅读][下载 426K]
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  • 速度外场驱动下活性粒子流瓶颈堵塞的“欲速则不达”现象

    袁思;黎龙飞;董瑞志;左瀚;刘伟;郑宁;

    增加个体速度或个体间挤压强度,个体通过瓶颈的流量反而明显降低,这就是著名的“欲速则不达”现象。本文利用分子动力学模拟研究了在不同速度场驱动下,自驱动力对活性粒子瓶颈堵塞特性的影响。随着粒子自驱动力的增加,活性粒子的整体流量反而减少。基于粒子的阻塞概率与互补累积分布函数的拟合幂律指数,解释了尽管自驱动力可有效增强粒子的运动能力,但同时也引起堵塞事件的增加,最终造成整体流量下降。活性粒子瓶颈流作为典型的复杂系统,可帮助学生理解个体最优化并不一定会使整体效率最优的物理思想,并且其对数据处理统计分析水平要求较高,这对本科生学术能力的训练和科学素养的培养很有帮助。

    2022年06期 v.32;No.212 142-147+188页 [查看摘要][在线阅读][下载 316K]
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  • 大学物理实验“基础-进阶-高阶”教学模式的探索

    赵国俭;徐丽红;王佳乐;王旗;

    大学物理实验是理工科学校培养学生实践创新能力的基础核心课程。如何优化教学过程、改善教学环境、提升教学质量一直是相关教学工作者思考的严肃课题;随着信息化技术的不断发展,大学物理实验也面临着新的机遇和挑战。针对目前实验教学过程中存在的问题(如学生多为动手操作,少有实验设计和实验思考),我们实验教学团队特建立了“基础-进阶-高阶”新型实验模式,利用信息化教学手段提升了教学效果,也提升了学生学习兴趣和效率。这种教学模式旨在提升学生的实验设计能力,思考问题和解决问题能力,将课程提升至培养实验物理人才的层次。

    2022年06期 v.32;No.212 148-152+158页 [查看摘要][在线阅读][下载 247K]
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  • 弗兰克-赫兹实验中常见问题分析及解决

    鲍华;王文清;汪亚萍;

    弗兰克-赫兹实验是大学物理实验教学中的一个重要实验。该实验通过对于原子激发电位的观测,证明了原子内部能级的存在,为波尔理论提供了直接的证据。然而在实际实验过程中,由于环境、温度、以及设备本身影响,容易导致测量数据不理想,实验结果不清晰。在忽略外界因素影响下,对灯丝电压、控制电压、拒斥电压的设置不当,是实验数据不理想的常见原因。本文通过对实验中常见图像问题进行原因分析,解决了部分图像问题,并对不同电压参数设置进行处理,得出最佳参数设置一般与出厂参数存在10%左右的误差的结论。

    2022年06期 v.32;No.212 153-158页 [查看摘要][在线阅读][下载 368K]
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  • 光学干涉仪测量极限的本科实验教学演示研究

    陈鑫;蒋佳彤;刘姝琦;陈煜;吴媛;崔璐;尹亚玲;陈丽清;

    光学干涉仪是广泛应用于量子精密测量的一种重要的光学仪器,然而由电磁场真空涨落引起的光量子噪声,限制了光学干涉仪的测量精度。为了获得更高的测量精度,测量并分析光学干涉仪的性能成为必然,其中信噪比和最小可探测值是目前最常用的分析光学干涉仪性能的主要参数。然而,在目前本科实验教学中,光学干涉仪通常被用于观察光干涉原理,缺乏对光学干涉仪性能分析的实验演示,因此本文利用Mach-Zehnder干涉仪,测量相位调制器引起的相位差变化,实现光干涉原理验证的同时,重点演示了光学干涉仪信噪比和最小可探测值的测量方法。通过本实验,本科生一方面可以直观地掌握光学干涉仪性能参数的测量方法,另一方面掌握提高测量精度的实验技术手段,为量子精密测量技术的进一步发展提供人才储备。

    2022年06期 v.32;No.212 159-163页 [查看摘要][在线阅读][下载 248K]
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  • 空气中普通小球的非高速竖直上抛运动的研究

    邵云;

    文章首先证明了对于通常材质、大小、初速度(非高速)的实心小球在空气中的竖直上抛运动,将空气阻力系数C_D取作0.42完全可行。文章将空气阻力看作速度的二次函数,采用传统的研究思路,逐步推导出普通小球在空气中做非高速竖直上抛运动的运动学方程,进而推得小球上升的时间和最大高度,以及小球下落的时间和落地速度。分析结果发现,小球的上升时间小于下落时间,更小于没有空气阻力时的上升或下落时间;在相同的初速度下,同质实心较大球的运动受空气阻力的影响要小一些;而当初速相同,密度与半径的乘积也相同时,材质、大小均不同的实心球却具有相同的上抛运动。文章还以1cm半径的实心小铁球为例,计算并作出各运动特征参量随初速度的变化曲线,以及在数个不同的初速度下小球的位移随时间的变化曲线。结果发现,初速度越大,小球的运动越偏离理想的无空气阻力情形。文末对一些可能的干扰或误差因素进行了简要的概述。

    2022年06期 v.32;No.212 164-170页 [查看摘要][在线阅读][下载 277K]
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大中衔接

  • 以“科学表述-探究-原理-科学史”为主线突破教学难点——以对电磁感应的教学为例

    方武增;

    电磁感应是高中物理教学的重难点内容,笔者以“科学表述-探究-原理-科学史”为教学主线践行突破这一难点。对《大学物理》等专业书中“楞次定律”表述的研究及课堂科学探究,多维度引导学生理解该定律;通过对感生类电动势的产生原理及动生类电动势方程的微观分析引导学生理解电磁感应规律。将科学史渗透于教学,让学生了解相关概念或规律产生的背景及科学论证的过程,培养学生科学态度与担当。

    2022年06期 v.32;No.212 171-175+194页 [查看摘要][在线阅读][下载 240K]
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  • 基于成像法的玻璃厚度测量

    唐琪;

    光学成像是生活中常见的物理现象,同时也是中学物理教学中的重要内容。本文对基于成像法的玻璃厚度测量进行了研究。基于光线理论给出了经玻璃上下表面反射光的成像光斑间距与玻璃厚度之间的数学关系,设计了一套简易的实验系统,提出了一种基于“斜率逼近法”的比例系数“k”的计算方法。该玻璃测厚教学实验装置具有原理简单和成本低等优势,涉及光学成像,以及简单的图像和数据处理等内容,适合高中的教学及实验,能够激发学生对物理的兴趣,同时培养学生的逻辑分析能力和实践动手能力。

    2022年06期 v.32;No.212 176-179+182页 [查看摘要][在线阅读][下载 293K]
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  • 图像法解一维弹性碰撞次数问题

    胡剑;

    水平面直线上若干个物块的弹性碰撞次数问题常见于各类物理竞赛。本文通过例证说明,运用基于动量守恒定律和能量守恒定律的图像法求解相关的一维弹性碰撞次数问题,不但可行而且有利于简化分析过程,具有直观清晰的特点。

    2022年06期 v.32;No.212 180-182页 [查看摘要][在线阅读][下载 178K]
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课程思政

  • 液态金属结构与性质教学中的课程思政

    王海鹏;常健;

    针对“液态金属结构与性质”前沿、交叉、抽象的课程特色、围绕学校的办学特色和材料物理专业的人才培养目标,践行“立德树人”根本任务,本文从教材建设、教学过程两大方面介绍液态金属结构与性质课程教学中课程思政的探索与实践。重点介绍了如何结合党中央要求和国家的重大战略部署进行教材建设,充分挖掘教学过程的核心元素,润物无声施教,将思政元素融入液态金属结构与性质课堂教学全过程,总结了通过教学改革,教学过程设计、教学案例遴选等方面的探索和实践。

    2022年06期 v.32;No.212 183-188页 [查看摘要][在线阅读][下载 165K]
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  • 立德树人 润物无声——大学物理课程思政初探

    胡祥青;夏灏;

    本文针对大学物理课程如何担负起育人的重要职责,提出以聚焦立德树人、突出系统集成、强调全面融合、彰显中国特色的原则来开展大学物理课程思政。从物理思想、物理思维、物理方法、物理学史、物理之美、物理成就等方面,深入挖掘物理学中的思政元素,并将其融入大学物理课程的教学全过程。从大学物理知识体系、理论与实验的教学体系、教材编写以及考核体系等方面,进行了大学物理课程思政的实践探索,初步达到了立德树人、润物无声的育人效果。

    2022年06期 v.32;No.212 189-194页 [查看摘要][在线阅读][下载 149K]
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