物理与工程

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特约稿件

  • 物理教育研究中的量化研究方法

    丁林;张萍;贾泽皓;

    目前越来越多的教师开始对物理教育研究(Physics Education Research简称PER)领域感兴趣,希望在物理教学过程中使用科学方法研究探索教育规律,检查教学效果。我们计划撰写一系列介绍PER中量化研究(Quantitative Research)方法的文章,致力于提供一种简单的方式帮助PER研究的新手了解物理教育量化研究的基本原理,掌握最简单的操作方法,可以在自己的教育研究实践中进行尝试。本文先给出一个PER量化研究的概述,包括PER量化研究的意义,PER量化研究与物理学量化研究的不同和PER量化研究的种类三方面内容。

    2019年03期 v.29;No.191 3-7页 [查看摘要][在线阅读][下载 110K]
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教学研究

  • 以量纲分析重新发现普朗克公式

    邓崇林;

    本研究以量纲分析手法,完全独立于普朗克研究黑体辐射的物理图像,更不用普朗克常数,就能推导出黑体辐射公式,展现量纲分析的工具优势。过程会辅以一个扩充基本量、二项特征假设、三处属性拟合、四条辐射方程、五道抉择关卡,从经典物理范畴开始,考量能量量纲在时空作用下诱导出必要的物理基本常数,接着采用Π定理算出两个无量纲量并建立其Π函数关系式,然后运用自创的属性拟合法,辐射公式的形式就自动浮显出来,最后导出黑体辐射公式,并证明与普朗克公式等价。

    2019年03期 v.29;No.191 8-18页 [查看摘要][在线阅读][下载 273K]
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  • 量纲理论与量纲分析法的教学方案的探讨

    魏环;许贺菊;

    本文基于在大学物理教学中加强科学思维与科学方法教育的教学理念,针对目前在物理教学中仍被忽视的量纲分析法,由物理量的量纲和基本单位制等基本概念出发,依次介绍了量纲和谐原理、瑞利分析法及其优缺点、无量纲量的构造及∏定理的基本意义、工程技术中模型与原型之间的相似模拟的理论依据。同时,基于量纲分析理论重要的教育教学价值,作者提出了"完整且有深度的介绍量纲理论"的教学目标,并通过3个典型例题阐述了关于量纲理论与量纲分析的三层次教学方案。

    2019年03期 v.29;No.191 19-25+28页 [查看摘要][在线阅读][下载 170K]
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  • 教无止境,乐在其中——第四届全国高等学校物理基础课程青年教师讲课比赛心得

    王文玲;

    2018年8月笔者有幸参加了第四届全国高等学校物理基础课程青年教师讲课比赛决赛,在赛场上见识了很多高校选手的风采,体会了国赛赛题的高度和深度。回顾整个比赛的经历,结合这些年我自己的教学体会,我认为"外"的环境和"内"的积累对提高我们青年教师的教学水平都非常重要。

    2019年03期 v.29;No.191 26-28页 [查看摘要][在线阅读][下载 85K]
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  • 关于刚体转动的前概念研究

    卞怡婧;路婧;朱广天;

    本文主要研究学生在学习刚体转动概念过程中存在的前概念。研究对象是本校30名未学习过刚体转动概念的文科生。通过Think-aloud访谈方法,深入了解学生对于刚体转动问题的思考过程,继而发现他们存在的前概念。通过研究,我们发现学生认为质量是刚体滚动下滑速度的主要影响因素,多数学生无法将物体平动与刚体转动区分开来。

    2019年03期 v.29;No.191 29-33页 [查看摘要][在线阅读][下载 122K]
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  • 旧瓶装新酒——大学物理教学中开放式问题的探讨

    赵德刚;项林川;

    大学物理的课堂教学,不仅应该让学生学到书本知识,应付考试,更应该让学生学会物理学的思维方式,灵活运用所学知识去解决生活中的实际问题。笔者从一道开放式问题出发,探索如何引导学生对一个实际问题抽象出物理模型,结合实际条件用所学知识对问题进行求解。课堂效果表明这样讲解可以有效地激发学生学习物理的兴趣和热情,培养学生的解决实际问题的能力。

    2019年03期 v.29;No.191 34-36页 [查看摘要][在线阅读][下载 105K]
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  • 关于节流过程中反转曲线方程的讨论

    王郅臻;李楠;

    节流过程是热力学的基本过程之一,它描述了实际气体在绝热等焓过程中的温度变化,其变化趋势由反转曲线方程决定。本文首先回顾了反转曲线方程的一般计算方法,并利用实际气体的Onnes状态方程,推导了它的严格形式。进而,利用两种常用的状态方程(van der Waals方程与Dieterici方程),得到了反转曲线方程的近似的具体形式。进而,以氮气为例,将理论结果与实验数据进行了系统的比较,发现由这两种状态方程得到的反转曲线分别在低温区及高温区与实验数据相符。最后,分别对两者产生偏差的区域进行了分析。

    2019年03期 v.29;No.191 37-40+46页 [查看摘要][在线阅读][下载 225K]
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  • 物理学业成绩的群体差异比较及启示

    吕洪凤;黄丽;刘畅;

    拥有不同的背景知识的学生在同一课堂进行学习时,会体现出不同的差异性。本研究以某大学某学院经济和传播专业的学生为研究对象,选取"College Physics"课程的学业成绩作比较,包括摸底初试、摸底中试、期中考试、期末考试等成绩,除了文科、理科的区别外,还考虑了男女性别差异,单招、统招生源的差异以及生源地的差异。通过分析发现:理科生的各次测试平均分值明显高于文科生;文科生的提升值显著高于理科生,但文科生成绩提升到的终值普遍不如理科生的高;女生初试成绩较男生低,但其他成绩显著地高于男生,尤其是理科男生通过复习而获得的成绩提升较少;统招理科女生占据高分榜,统招文科男生与统招文科女生平均分值相当,单招文科、理科女生均普遍好过男生;文理科成绩在不同地域上的表现一致。基于以上分析结果,本文提出几点教学启示。

    2019年03期 v.29;No.191 41-46页 [查看摘要][在线阅读][下载 348K]
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  • 曲线约束摩擦力速度问题的求解

    何健;

    大学物理课程中对含钢索类约束的质点动力学问题均未考虑滑动摩擦的影响,主要原因在于由此导出的方程具有非线性特征,普遍认为不易求解。本文首先证明了当约束体为二次型曲线时,原切向方程可化为以分离变量求解的形式;然后针对一般的情形,给出了线性化的办法,导出了一阶线性非齐次常微分方程,并给出解的积分表达式。最后以一具体问题为例进行计算,对比了两种办法的特点,讨论了摩擦力的影响。

    2019年03期 v.29;No.191 47-51页 [查看摘要][在线阅读][下载 198K]
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  • 共轴共焦双曲导体柱板间的电场与电容

    贾秀敏;白占国;

    文章根据双曲柱板间的等势线方程,利用解析函数的性质,导出了共轴共焦双曲柱板间的电场分布和单位长度的电容,并对一些特例进行了讨论。

    2019年03期 v.29;No.191 52-54页 [查看摘要][在线阅读][下载 118K]
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物理实验

  • 牛顿环实验的数据处理改进及图像分析

    朱晓梅;向伟铭;姜向东;

    文章利用GUI建立了一个对牛顿环实验实现数据精确处理以及图像分析的交互式界面,从相对扩展不确定度的分析角度出发,采用了对实验数据的线性拟合法代替原始的逐差法,规避了后者计算步骤不简便、未能充分利用所测有效信息的缺点,从而得到更精确且符合实验设计随机化原则的牛顿环透镜曲率半径的测量结果。通过修改实验参量进行牛顿环图像的动态分析,总结牛顿环的实验规律,在实验室中测量时,不宜将入射单色光波长和透镜曲率半径这两个参量取值过小,否则牛顿环将混杂,使得实验观察困难。

    2019年03期 v.29;No.191 55-58+62页 [查看摘要][在线阅读][下载 260K]
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  • 悬浮牵引演示实验仪的原理与设计

    曾威;丁进;刘伟;史庆藩;

    抗磁性概念及其物理机制是电磁学课程中的重要内容,它使得抗磁材料有可能悬浮在磁场中。为了提高抗磁性物理原理的教学效果,文章中设计制作了磁悬浮牵引演示实验仪。该装置能够清晰稳定地演示二维平台上激光牵引磁悬浮热解石墨移动的现象,包括直线牵引和旋转牵引。通过comsol仿真计算和实验,确定了演示效果最明显的两种磁铁排列方式:双层N/S交错排列和N/S反向排列。该装置由移动导轨、磁铁平台、激光笔、石墨等部分组成,结构简单,成本低廉,可以应用于科学研究或者物理实验教学。

    2019年03期 v.29;No.191 59-62页 [查看摘要][在线阅读][下载 255K]
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  • 影响激光全息照相实验成像效果的因素解析

    杨超舜;尹剑波;侯泉文;庞述先;

    激光全息照相实验是近代物理实验的重要实验之一,实验中的一些因素将影响成像效果,对这些因素作具体分析,有助于提升激光全息照相实验的成像效果。从激光全息照相基本原理出发,结合实验室具体条件,配合直观图解,对物光与参考光的光程差、物光与参考光的夹角、曝光显影定影过程、物光与参考光的强度比、物与全息干版相对位置等因素作了详细分析与解释,给出了最优参数。这些解释和优化参数有效提高了课堂上实验的效率及成像效果,有助于学生更深入地理解激光全息照相实验的原理,提升学生的物理实验技能。

    2019年03期 v.29;No.191 63-67+75页 [查看摘要][在线阅读][下载 216K]
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  • 铁磁材料静态特性实验中的退磁、稳磁研究

    尹教建;刘将;张津浩;鲁海彤;刘彦民;周小岩;李静;韩立立;王军;

    采用静态直流法研究了软磁、半硬磁和硬磁三种铁磁材料的退磁特性,分析了2种不同形式的退磁曲线特性,探讨了退磁机理,以瑞利磁滞回线模型为例建立了退磁模型。研究了稳磁对3种铁磁材料磁滞回线的影响规律,确定了最佳稳磁次数,分析了磁滞回线不闭合的原因,建立了磁黏滞系数含碳量模型,实验结果表明该模型具有一定的合理性。

    2019年03期 v.29;No.191 68-75页 [查看摘要][在线阅读][下载 346K]
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  • 基于滤波片吸收特性的全自动单色光波长测量装置

    高贻钧;魏薇;

    光源波长是物理实验和工程中重要的测量对象。目前单色光源波长测量方法多是利用光的干涉性进行测量,如迈克耳孙干涉法的测光波波长等。干涉法测量波长测量原理复杂,测量调节时间长、效率低,且测量仪器体积大、重量大。本文基于带通滤波片透射率随波长的变化规律,采用两块不同中心波长的带通滤波片,通过对滤波片光谱特征的分析,划分有效测量区域,拟合波长—透射率函数,利用自动化手段通过测量滤波片透射率,并实现对单色光波长的全自动快速测量。测量装置操作简便、检测快捷、结果准确、成本低廉、结构轻便。

    2019年03期 v.29;No.191 76-79页 [查看摘要][在线阅读][下载 240K]
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物理与工程

  • 一种光电子能谱费米面拼接方法

    贾小文;周兴江;

    光电子能谱技术可以直接探测材料的费米面结构,是研究材料电子结构的重要实验手段。由于光源光子能量、探测器探测角度范围以及材料本身的因素,光电子能谱技术一次只能探测布里渊区一个位置区域的费米面信息。本文提出一种将不同位置区域测量的费米面拼接起来的方法:首先根据费米面结构特征对费米面进行配准,以其中一个费米面为基准,求出仿射变换矩阵,然后对费米面进行二值化,求出测量区域轮廓,最后以到测量区域轮廓的距离作为权重将两费米面重叠区域按照像素进行拼接融合,非重叠区域保持不变。与直接相加相比,这种方法可以有效融合重叠区域,消除边界处的不连续性,获取完整费米面,提高数据质量。本文提到的方法可以从数据处理的角度弥补角分辨光电子能谱在探测范围上的不足。

    2019年03期 v.29;No.191 80-84页 [查看摘要][在线阅读][下载 337K]
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  • 二维热传导方程在高能脉冲离子束溅射中的应用

    李莉;雷雨;滕保华;吴明和;杨宏春;

    本文基于能量守恒定律和傅里叶定律,建立了一种非常简单而直观的二维热传导物理模型。以工程上熔石英光学元件的氩离子束溅射为切入点,采用时域有限差分法数值计算了熔石英内部温度的二维演化规律,以及不同位置温度随时间的演化规律。计算结果表明,沿离子束入射方向熔石英温度演化规律呈现类高斯分布;离子束辐照区域内任一点的温度随时间的演化规律很大程度上依赖于入射离子束的脉冲形状。文中利用热学知识详细讨论了光学元件表面能量吸收对元件温度演化规律的影响。

    2019年03期 v.29;No.191 85-89页 [查看摘要][在线阅读][下载 292K]
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  • 航班飞行中的物理问题

    徐劳立;刘宇星;王越;

    本文讨论了人们在乘坐飞机旅行时可能想到的3个问题。(1)我要去东边而飞机为什么向北飞?(2)地球自转对飞行速度有影响吗?(3)为什么同一航线往返飞行时间不同?首先,采用了解析几何方法,定量给出了最短航线时飞机起飞航向与当地纬线的夹角,以及该航线航程。然后讨论了飞机沿着自转地球表面上空飞行时,科里奥利力对飞机的作用,运用了半定量方法对几种场景进行分析,结论是科里奥利力的效应较小或者可以忽略不计。最后定性介绍了高空急流现象、成因以及对飞行的影响,并给出了几个典型航班往返时间的差别,指出高空急流对飞行的影响明显而确定。

    2019年03期 v.29;No.191 90-93+96页 [查看摘要][在线阅读][下载 158K]
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  • 冬季生火室内气体的内能

    刘凤智;

    在1938年,Emden发表了一篇短文:"冬季为什么要生火?"。他将室内气体当作理想气体来处理,证明了生火使室内气体温度升高了,但没有改变室内气体的内能,气体的内能保持不变,这一结论很出乎内行人的意料,在此之后的学者也都是基于理想气体来研究这个问题。众所周知,范德瓦尔斯气体比理想气体更接近实际气体,如果将室内气体当作范德瓦尔斯气体来处理,却可得出如下的结论:生火后不但没有使室内气体内能增加,反而是略有减少的,这一结论可能更出乎内行人的意料。本文对该结论给出分析过程。

    2019年03期 v.29;No.191 94-96页 [查看摘要][在线阅读][下载 106K]
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大中衔接

  • 衔接大中学物理综合素质教育模式的探究与实践

    陈宗强;陈靖;刘松芬;李川勇;

    本文介绍了南开大学物理科学学院衔接中学-大学的物理综合素质教育模式的一些探究与实践,相关研究项目曾获得2018年高等教育国家级教学成果奖二等奖。主要包括基于国际青年物理学家锦标赛(IYPT)开展了一系列有益的工作,在南开大学开展了南开大学物理学术竞赛(NKPT),发起了中国大学生物理学术竞赛(CUPT),举办了中国高中生物理创新竞赛(CYPT)。该教育模式经过多年的实践,育人作用显著,促进了大学-中学的紧密相连,在国内外凡响强烈。

    2019年03期 v.29;No.191 97-100页 [查看摘要][在线阅读][下载 105K]
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  • 高中课程改革背景下大中学物理教育面临的困境与思考

    黄绍书;

    高考改革往往是紧跟高中课程改革(以下简称课程改革)同步进行的。改革必须与实际情况相吻合,否则将会产生诸多不良效应。即将普遍实施的"3+3"高考模式,其评价机制不够完善也不甚健全。从浙江和上海率先推行的实践结果可以预想,这一举措必将造成高中学校选择学物理的学生严重偏少,而高等院校物理类相关专业直接面临招生困难的境地。然而,若能进一步健全和完善"3+3"高考模式的评价机制,那么,由此引起的矛盾是可以调和的。这样,改革也必将良性发展。

    2019年03期 v.29;No.191 101-104+116页 [查看摘要][在线阅读][下载 253K]
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学术研讨论文选登

  • 基于核心素养的“电动力学”翻转课堂教学效果的实证研究

    郭芳侠;刘琦;李贵安;王晅;

    本文以"电动力学"课程学习者为研究对象,采用了综合素质、科学态度、网络学习自我效能感、深度学习四个量表,利用描述性统计、秩和检验和相关性分析等方法研究翻转课堂对学习者核心素养的影响。研究发现,翻转课堂教学模式能显著提高学习者的综合素质及网络学习自我效能感,但对科学态度的影响较小;学习者的网络学习总体属于深度学习,但还有提升空间;科学态度、综合素质及网络学习自我效能感之间呈显著正相关,科学态度高分组在综合素质、网络学习自我效能感各维度及总体上显著高于中低分组。

    2019年03期 v.29;No.191 105-112+121页 [查看摘要][在线阅读][下载 246K]
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  • 电磁波在运动介质表面上半波损失的消失现象

    宋仁刚;徐岩;夏乾旭;

    本文讨论了考虑相对论效应时电磁波在运动介质表面上半波损失的消失现象。利用相对论四维波矢量的洛伦兹变换关系,导出电磁波在运动介质界面上波矢和频率的关系以及反射波和入射波的振幅比;给出了入射波和反射波的振幅比与入射角度之间的数值关系模拟,并由此讨论沿介质界面运动和垂直于介质界面运动两种方式下反射波的半波损失是否存在。结果发现:在考虑相对论效应的情况下,当介质运动速度接近光速时,电磁波在运动介质界面上的反射不存在半波损失。

    2019年03期 v.29;No.191 113-116页 [查看摘要][在线阅读][下载 158K]
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  • 无限长双曲柱面带电导体的场分布

    张拴柱;

    静电场问题最终归结于求解拉普拉斯方程,但由于具体问题的边界条件的复杂性,给求解带来了困难。本文引进椭圆柱面坐标,推导出了无限长带电体为用理想导体薄片制成的双曲柱面场分布的解析式。在此基础上计算出了面电荷密度、构成电容器时的电容量、几种特殊情况的场分布,通过与无限大的平板电容器情形比较验证了其正确性。本文可以给大家提供一点启发:根据不同的边界面,选择合适的坐标系,容易求得拉普拉斯方程解,甚至貌似不可求解的问题,通过坐标系变换也能求得解析式子。

    2019年03期 v.29;No.191 117-121页 [查看摘要][在线阅读][下载 143K]
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简讯

  • 物理系张广铭课题组在量子拓扑相变理论方面取得重要进展

    <正>物理系张广铭课题组近期在量子拓扑相变理论方面取得重要进展,在美国物理学会出版的国际权威期刊《物理评论快报》(Physical Review Letters)上,以"Gapless Coulomb state emerging from a self-dual topological tensor-network state"为题,发表研究论文。此项研究揭示了二维量子拓扑物态的基本模型(Toric Code)在电磁对偶路径上的新

    2019年03期 v.29;No.191 122页 [查看摘要][在线阅读][下载 55K]
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  • 《物理与工程》期刊简介

    <正>期刊撷英1981年,《工科物理教学》创刊号,东南大学恽瑛教授署名文章《美国五所高等院校物理教学情况概貌》(摘登):教学研究也是一种科学研究,并有一定的研究班子。例如在栾斯里尔工学院,瑞斯尼克与哈立德合著的《物理学》是美国大学中较为通用的一种教材,已译成30种文字;曼纳尔斯和爱本斯坦从事实验教学与表演实验的研究,他们二位虽无博士学位,却因教学研究成绩卓著被任命为正教授,为美国国内同行所赞许。

    2019年03期 v.29;No.191 2页 [查看摘要][在线阅读][下载 791K]
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  • 《物理与工程》期刊稿约

    <正>《物理与工程》是由教育部高等学校大学物理课程教学指导委员会直接领导的学术性期刊,历任主编和编委随教指委的换届而同步更新。期刊主要围绕大学物理/大学物理实验课程教学中的热点难点问题展开研究,力争在高校人才培养、课程建设、教学研究以及提高物理教师教学水平等方面起到服务和促进的作用。

    2019年03期 v.29;No.191 123页 [查看摘要][在线阅读][下载 623K]
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