物理与工程

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量子世纪年

  • 美国国家科学基金(NSF)对量子教育的支持方式研究

    朱广天;杨洁;秦真科;

    美国政府近年来通过行政命令和预算调整,强化了在量子科学和量子教育方面的投入,了解美国国家科学基金会(NSF)如何支持量子教育,对我国应对全球科技竞争具有深远意义。本研究搜集了目前NSF所有在研的与量子教育相关的研究项目,对这些项目的研究内容进行了分析。结果显示,美国的量子教育研究覆盖了从基础教育到高等教育的全部学段,研究重点已从“第一次量子革命”的物理理论教学转为面向“第二次量子革命”的量子信息实际应用教学,并特别强调教育研究与量子信息劳动力市场的直接联系。

    2024年02期 v.34;No.220 3-9页 [查看摘要][在线阅读][下载 1433K]
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  • 实现超导量子比特芯片的微纳加工方法

    宿非凡;杨钊华;

    近年来随着各个科技强国和科技巨头企业的高度重视,超导量子计算技术发展迅速,在不到10年的时间内单个超导量子比特的退相干时间增长了5个数量级,从纳秒提高到了百微秒的量级,并有望提高到毫秒量级甚至秒的量级。超导量子比特芯片的制备是实现超导量子计算的基础,作为“物理前沿介绍——超导量子计算”系列的第六篇,本文系统阐述制备超导量子比特及其辅助器件芯片的微纳加工方法,并对制备方法的发展趋势作展望。通过本文,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实现超导量子比特芯片的微加工方法与工艺,全面地、实物化地理解超导量子计算技术。

    2024年02期 v.34;No.220 10-18页 [查看摘要][在线阅读][下载 1824K]
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  • 用大学物理知识诠释前沿科技——从光的偏振到量子通信

    张婷;吴伟;孙仕海;

    在大学物理教学中以科技前沿应用为牵引,用大学物理的语言解释前沿科技进展的原理,拉近基础课和前沿应用的距离,可以促进学生学习物理的兴趣,加深学生对于基础物理原理的理解。本文以量子密钥分配为例,仅用大学物理中偏振的内容就解释了经典的BB84方案的基本原理,并对该方案的实际实现进行了阐述,旨在表明任何理论方案和实际实现都存在相当的距离。本文还介绍了量子通信领域的最新研究进展和目前主要的研究方向,以激发学生主动探索和进一步研究的兴趣和热情。本文是为基础物理原理和高新尖技术之间搭建桥梁的一次有益尝试,相关思路值得在新工科背景下的大学物理教学中推广。

    2024年02期 v.34;No.220 19-24页 [查看摘要][在线阅读][下载 1166K]
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教学研究

  • 基于4C/ID模型的面向综合学习的实证研究

    郭芳侠;何琳;张红军;

    本研究旨在探讨两种教学方法:4C/ID(A Four-Component Instructional Design)模型与传统模式对物理专业大学生知识获取和学习迁移的影响。实验组使用4C/ID模型设计进行教学,而控制组则使用传统模式,评估学生的学业表现,包括知识获取与学习迁移,同时对学生的认知负荷及焦虑情绪进行调查。结果显示,实验组在知识获取和学习迁移的评价上均优于控制组,但认知负荷和焦虑情绪也高于控制组,最后对产生的原因和进一步优化进行探讨。

    2024年02期 v.34;No.220 25-30页 [查看摘要][在线阅读][下载 1193K]
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  • 第52届国际物理奥林匹克竞赛理论第2题介绍与解答

    刘丽飒;张天浩;宋峰;孔勇发;

    第52届国际物理奥林匹克竞赛理论部分共三道题目,本文主要对理论第二题“詹姆斯·韦伯太空望远镜”题目进行介绍,给出参考解答以及对中国学生答题情况的分析。

    2024年02期 v.34;No.220 31-37页 [查看摘要][在线阅读][下载 2007K]
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  • 基于知识图谱的物理学术竞赛发展分析

    董佳豪;王槿;李川勇;孔勇发;潘崇佩;

    国际青年物理学家锦标赛及其本土化后形成的中国大学生物理学术竞赛、中国青年物理学家锦标赛和各地区高校的系列物理学术竞赛在基础物理教学中发挥着越来越重要的作用。本文基于CiteSpace可视化软件,分析了CNKI中文数据库、WOS数据库和Scoups数据库中以PT系列物理学术竞赛为主题的文献,运用计量分析方法和知识图谱技术展示了文献的年代分布、关键词共现图谱、时间线图、突现词图谱和研究机构共现图谱等信息,并结合当前赛事发展探究了知识图谱在追踪赛事发展、物理问题研究与案例分析、基础物理实验教学改革中的应用。

    2024年02期 v.34;No.220 38-45+72页 [查看摘要][在线阅读][下载 2980K]
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  • 面向高阶思维训练的实验教学模式设计与实践

    潘葳;叶曦;陈列文;郑杭;

    通过深度学习在课堂教学中来发展学生高阶思维能力是近年来教育改革中的一个重点。我们在面向本科一年级新生的物理实验课程中,对传统的教学模式进行了改革,增加了激发高阶思维产生的最大动力来源——“真实情境问题”为导向的课程内容。以此为核心抓手和发力点,通过引入探索型实验课题,依托传统实验和探索型实验课题这两类不同层次实验教学具有的互补性特性,对大学物理实验的教学内容和形式进行了合理的重构,将大一新生高阶思维能力的培养有机地融入实验教学过程之中,形成了促进学生快速进入大学探究性深度学习的教学模式。问卷、访谈和成绩对比等数据表明该模式在一年级本科生的高阶思维能力和研究素养养成上起到积极的作用。这一变革在新形势下对物理实验教学具有积极的指导意义,也对于实践类课程教学具有一定借鉴作用。

    2024年02期 v.34;No.220 46-53页 [查看摘要][在线阅读][下载 1814K]
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  • 热力学·统计物理教学中的量纲问题

    熊兆华;杨琳朔;梁淇玮;王雯宇;

    本文就热力学·统计物理的一道习题的解法展开讨论,说明在物理问题推导过程有量纲物理量的规范运算方法,以及物理结果的规范表达方式。此外,论文简单说明了Π定理并举例利用Π定理对物理系统进行量纲分析。量纲分析在物理学中如此重要,因此在物理基础课教学中应予足够的重视。论文附录给出了汪志诚《热力学·统计物理》(第六版)教材中部分公式规范表达形式。

    2024年02期 v.34;No.220 54-65页 [查看摘要][在线阅读][下载 1178K]
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  • “一带一路”来华留学生全英文大学物理实验课程建设与实践

    张伦;张雷;唐军;

    针对国家三部委提出的“推进来华留学生英语授课示范课程建设,全面提升来华学历学位留学教育质量”的要求,结合近年来中国矿业大学面向“一带一路”沿线国家来华留学生开设的“全英文大学物理实验”课程建设情况,探讨了实验绪论课程安排、实验项目的配置与调整、实验教学实施方式、学生管理及其课程成绩评定等关键环节的处理,并介绍了教材建设以及自主学习系统的开发建设情况。利用问卷调查对近年来的教学效果进行了分析评估,结果显示,学生总体对课程较为满意。希望本文的探讨能够为“全英文大学物理实验”课程的建设提供有益的参考。

    2024年02期 v.34;No.220 66-72页 [查看摘要][在线阅读][下载 2304K]
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  • “三位一体”助教实习全流程培养模式对理工科人才培养的作用

    吕智国;陈列文;钱冬;李晟;

    研究生助教团队作为课程教学中不可或缺的重要组成部分,在保障量大面广的基础课程教学质量上扮演着关键角色。如何系统地引导和培养新入学研究生胜任课程助教岗位,进而构建一支有力的教学支持梯队,是一项重要的教学实践研究课题。如何全方位提升助教的教学能力、增强其教学责任感,并通过优化助教工作流程实现效能最大化,乃是保障高质量本科教学的关键要素。上海交通大学物理与天文学院通过构建“三位一体”助教教学实习模式,建立了学校-学院-任课教师三级协同培养实习方案,培养新入学研究生熟悉教育基本理念并熟练掌握助教工作基本技能,完成教学岗位准备;通过学院-任课教师联合指导,在实践中做到悉心指导研究生助教工作、督促研究生保质保量完成教学工作,以助教实习课程为依托形成每位助教完整的实习工作数据链;通过教学实践全过程对助教工作质量进行岗位考核评价。现已形成了完备的学校-学院-任课教师“三位一体”培养体系,建立了多方有效的沟通渠道和监督助教工作质量的反馈体系及助教评价方式。助教培养体系为本科生更好的学习大学物理提供了有效的保障,为大学物理教学保驾护航。该培养模式是在大学物理教学实践中顺势而生的新模式。通过该模式不仅可以提升大学物理教学质量,提高工科人才的物理学习效果,也给研究生助教自身发展提供了平台。

    2024年02期 v.34;No.220 73-80页 [查看摘要][在线阅读][下载 1178K]
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  • 贯彻“三位一体”要求 提高实验教学育人效果

    张映辉;

    本研究基于课程思政建设与实施中既有的众多成果和主要困惑,对如何从总体思路上体现高等教育课程思政的层次性,如何从厘清两个重要概念出发明确思政元素发掘——思政观点提炼——思政观点阐释的逻辑链条,以及如何贯彻“三位一体”要求提高教学与课程思政质效性等方面进行了有益探索,提出课程思政“取法乎上”的要点——教书育人根本任务和目标的再认识、再明确、再提升;提出思政元素、思政观点的基本涵义和适应物理实验特点的课程思政思路;提出实现“三位一体”良性互促的教学要点。

    2024年02期 v.34;No.220 81-86页 [查看摘要][在线阅读][下载 2027K]
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  • 大学物理实验课程的通识教育探究——以“拉伸法测定弹性材料的杨氏模量”为例

    张晓磊;张钰伊;尹亚玲;陈丽清;

    “大学物理实验”课程是理工科学生较早接触的实验操作类课程,涵盖了力学、热学、电学、磁学、光学等多个分支领域。华东师范大学大学物理实验教学团队在实验教学中坚持将学科知识和通识元素有机融合,将综合育人的理念贯穿始终。本文以“拉伸法测定弹性材料的杨氏模量”为例,从“实验背景、目标要点、通识融入、案例挖掘”入手,探讨如何在大学物理实验教学过程中实施通识教育,以期兼顾“授业解惑和传道育人”,践行立德树人的教育初心。

    2024年02期 v.34;No.220 87-91+97页 [查看摘要][在线阅读][下载 1878K]
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  • 将物理知识融入数学方法:细推物理 润物无声——“数学物理方法”课程思政案例剖析

    陈聪;杨海彬;姚琨;孙嘉庆;

    思政元素的挖掘和思政案例的建设是开展课程思政的基础工作之一。为丰富“数学物理方法”课程思政元素,尝试从将物理知识融入数学方法的角度深度挖掘课程思政教育内容。分别从利用物理原理推导数学方法、借助物理现象求解数学方程、结合物理规律理解数学条件等方面给出三个教学案例,详细介绍了教学案例的背景、内容、施训方法及思政效果。分析表明在“数学物理方法”课程教学中,可以有意识地强化物理和数学的融合,开展有特色的课程思政教育教学,提高育人效果。

    2024年02期 v.34;No.220 92-97页 [查看摘要][在线阅读][下载 1123K]
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  • 物理光学中多光束叠加强度求解方法的探讨

    张宝武;孔明;许新科;华杭波;王君竹;曹丽霞;

    大学物理光学中多光束相遇叠加强度的求解问题占据了课程内容的很大比重,涵盖了叠加原理、干涉、衍射、互补屏原理、复振幅、共轭波和偏振等理论和概念。为了使非光学特色工科大专院校的学生在有限的课程学习期间内快速方便地解决多光束叠加强度求解问题,有效地对实际的干涉测量设备原理进行分析,总结了一套“叠加强度求解六步法”的程序化解题流程,通过杨氏实验、单矩形孔夫琅禾费衍射、巴比涅互补屏系统和一个复杂习题解答为例对该方法的使用进行了充分举例说明,有效地论证了该方法的有效性和通用性。

    2024年02期 v.34;No.220 98-103页 [查看摘要][在线阅读][下载 1136K]
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  • 提升教师信息化教学能力的教改措施与实施效果评估

    徐晶;陈元平;谢月娥;张培培;

    本文旨在提出一些策略和措施帮助教师提升信息化教学能力,以适应数字化时代的教育需求。通过文献综述和实证研究,本文确定了教师信息化教学能力的要素和重要性,并提出了提升策略,包括教师培训与支持、学校基础设施与技术支持、教学设计与创新等;同时,讨论了评估与反馈机制的建立,以确保教师信息化教学能力提升的有效性和可持续性。研究分析表明,有效的教改措施能显著提升教师信息化教学能力,促进学生学习成绩的提高和学习兴趣的增强。本研究可为教育部门、学校管理者和教师提供指导,促进教育教学的创新和提升,培养具备创新思维和终身学习能力的学生。

    2024年02期 v.34;No.220 104-109页 [查看摘要][在线阅读][下载 1091K]
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  • 开展可见光—红外线—太赫兹波成像系列实验培养解决真实问题人才

    曹硕;孔令茹;杜增;李永庆;

    物理学的研究成果有力推动了三次工业革命的发展。进入新世纪以来,量子计算、低维物理、量子探测等现代物理研究成果正在促进第四次工业革命暨工业4.0向纵深发展。笔者在大学物理实验中规划布局多层次物理实验题目,以开展可见光-红外线-太赫兹波探测与成像系列实验为例,介绍了学生深刻理解不同波段的电磁波在新旧产业领域应用性的异同。这一教学模式有利于学生掌握近现代物理成果与实验综合技能,培养他们成为解决新产业领域面临的真实问题的新理工科人才,从容面对新技术革命与职业选择。

    2024年02期 v.34;No.220 110-114页 [查看摘要][在线阅读][下载 1788K]
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  • 全反射棱镜式谐振腔中高斯光束角度误差对本征模式偏振损耗的影响

    李东;刘凌沂;

    本文引导学生将“激光原理与技术”课程中所学的高斯光束特性与布儒斯特定律相结合,以全反射棱镜式(TRP:Total Reflection Prism)谐振腔为例,研究了高斯光束在TRP面传输过程中入射角度误差对腔内本征模式偏振损耗的影响,并讨论了腔内本征模式入射角度误差、束腰位置(即束腰到棱镜面的距离)z_0和焦参数f等对偏振损耗的影响。结果表明:在一定范围内,随着角度误差的增加,s、p分量偏振损耗增大,最后趋于稳定。同时,对于同一角度误差而言,随着z_0和f的增大,s、p分量的偏振损耗减少,且相同的z_0和f的增量会引起更小的s、p分量偏振损耗。本文研究结果可对TRP腔内本征模式偏振损耗的降低、腔体结构设计及优化提供一定的理论依据。

    2024年02期 v.34;No.220 115-119+126页 [查看摘要][在线阅读][下载 1686K]
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大中衔接

  • 基于项目学习及深度学习理念的教学设计——以“探究向心加速度大小的表达式”为例

    张明硕;熊维敏;黄致新;吴春晓;

    向心加速度是高中物理的重点内容,但是现行人教版等教材并没有设计对向心加速度的精确测量,这导致在教学中学生往往缺乏对向心加速度大小的直接感知。基于此,本文结合深度学习理念设计以项目学习为主线的教学活动,让学生利用手机传感器和phyphox软件直接对向心加速度进行精确测量并探究其大小的表达式,以此促进学生物理核心素养的发展。

    2024年02期 v.34;No.220 120-126页 [查看摘要][在线阅读][下载 1492K]
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物理实验

  • 蒙特卡罗方法模拟公路自行车运动员的功率及速度分布

    王照清;余雨蔓;代汶均;景鹏飞;

    近些年来,公路自行车赛引起众多关注,如何使运动员在比赛中获得更好的成绩成为众多研究的目标。为给出自行车运动员在比赛过程中功率分配方案,本文首先建立了公路自行车赛车手的功率曲线模型,然后分析对比了不同赛车选手的特点;再通过分析赛车手的在不同性质路段的动力学模型,获得运动员经过具体赛段的时间和速度随功率的变化。我们运用蒙特卡罗方法得到了不同赛车手在不同路段最佳的功率和速度分配曲线,并将模型应用于2021公路自行车UCI世锦赛,得到不同类型运动员具体功率和速度曲线在路程中的分布。通过这一模型我们可以得知,赛车手在赛程中尽力保持匀速状态并在擅长的路段进行一定的加速可以得到最佳的比赛结果。最后我们分析了该方法得到的结果的稳定性。

    2024年02期 v.34;No.220 127-135+145页 [查看摘要][在线阅读][下载 2331K]
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  • 数字化教育背景下大学物理实验MOOC教学模式探索与实践

    裴艺丽;张师平;陈森;李莉;谢子昂;吴平;

    本文以北京科技大学“大学物理实验”教学为例,通过不断探索和教学反馈形成了数字化背景下大学物理实验MOOC教学模式;利用MOOC、仿真实验、实时数据后测系统、报告系统等线上手段最终形成了针对本校学生的线上异步SPOC课程与线下同步实验课程相结合的教学模式、线上线下混合式实验教学的操作模式。该操作模式有机融合了学生预习、交互式学习、操作个性化指导、数据检验、报告提交、线上答疑等各个方面,并实行过程性考核与结果性考核有机结合的多样评价和过程跟踪的考核方式,实现学生智慧学习的个性化、数字化和交互式,以此激发学生的学习兴趣和提高学习质量。此外,针对外校学生和社会学习者的MOOC与仿真结合的同步教学模式,行之有效,让实践课程可以突破校园边界,具有一定的推广价值。

    2024年02期 v.34;No.220 136-145页 [查看摘要][在线阅读][下载 2622K]
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  • Cu/La_2NiO_4电接触材料的制备及电弧烧蚀性能研究

    王博文;陈瑞华;常凯歌;董文琪;郭永利;童童;

    解决铜基触点材料因易氧化而生成不导电物质导致触点失效的关键在于提高材料的导电性能,基于导电陶瓷La_2NiO_4因其具有导电性能,论文采用溶胶凝胶法制备获得了导电陶瓷La_2NiO_4粉体,用粉末冶金法制备出致密Cu/La_2NiO_4复合材料并进行微观形貌观察和物相分析。经过电弧烧蚀后,观察表面烧蚀形貌,探讨氧化层的微观组织,并进行温升测试。研究结果表明,电弧烧蚀后的Cu/La_2NiO_4复合材料表面有裂纹并且触点表面有多种侵蚀形貌特征并存,氧化层可能因接触力的作用而脱落以提高导电性能。本论文的研究工作表明,采用铜掺杂导电陶瓷La_2NiO_4的方法,可以有效提高电触点材料电弧烧蚀后的导电性。

    2024年02期 v.34;No.220 146-152页 [查看摘要][在线阅读][下载 2119K]
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开放审稿稿件

  • 近场的分类及其与静态场的关系

    许书侨;詹影;唐誉婷;韩德专;

    在局域源所产生的电磁场中,以波长为特征长度可以引入两个重要概念:近场和远场。准静态场是另一重要概念。回溯人类对电磁场的认识过程,从一开始分立的静态电/磁场,到麦克斯韦方程组所描述的完整的运动电磁场,经历了认识的飞跃。有限的时间频率是运动电磁场的重要特征量。本文以不同维度的辐射源为例,分析了其产生的近场和远场,区分了两种产生近场的机制,并阐述了近场和静态场的关系。最后,本文以介质平板中的法布里-珀罗共振和金属颗粒的表面等离激元共振为例,揭示了不同维度下近场对能量储存的贡献及其与不同维度微腔的品质因子巨大差异的直接关系。

    2024年02期 v.34;No.220 153-160页 [查看摘要][在线阅读][下载 1246K]
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