物理与工程

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教学研究

  • 量子力学的哥本哈根解释

    黄永义;

    本文较详细地阐述了量子力学的哥本哈根解释,包括玻尔并协性原理和海森堡不确定原理、经典仪器、波函数坍缩、哥本哈根解释视角中的因果律。本文还列举了基于该解释的两个典型的测量实例:惠勒延迟选择实验和没有相互作用的相互作用;简要介绍了其他有影响力的量子力学解释:多世界解释、自洽历史理论、量子贝叶斯模型等。

    2020年06期 v.30;No.200 3-11+14页 [查看摘要][在线阅读][下载 403K]
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  • 化学热机的广义卡诺效率

    苏山河;陈金灿;

    在热机和化学机模型的基础上,建立工作在具有不同温度和化学势的两个热物质源间的化学热机模型,导出效率的一般表示式(即广义卡诺效率),由此推出一系列有意义的结果。发现化学热机的效率即可大于工作在相同温度跨度下热机的卡诺效率,又可大于工作在相同化学势跨度下化学机的可逆效率。进而阐明这些结果不违背卡诺定理,符合热力学第二定律。

    2020年06期 v.30;No.200 12-14页 [查看摘要][在线阅读][下载 227K]
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  • 分子束方法的发展历史概述

    芮静怡;汪亚平;宁长春;

    分子束方法是指研究几近无相互作用的粒子束通过相应的作用装置,获得有关粒子信息的实验方法。经由杜诺依尔之开创,斯特恩之重视和改造,在斯特恩—盖拉赫实验当中显示出神奇之力量,成为20世纪研究微观粒子的重要手段。此后,经拉比、拉姆齐等人的传承与发扬,对物理学的发展产生了重要影响。本文在文献调研的基础上,以分子束方法传承的关键人物为线索,简要分析了分子束实验方法的演进过程及其相应的学术贡献,并讨论了将其引入大学物理教学中所起的作用。

    2020年06期 v.30;No.200 15-21+30页 [查看摘要][在线阅读][下载 423K]
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  • 解析验证b→sγ单圈图中的Ward恒等式

    柳国丽;别素雅;

    Ward恒等式是量子场论中的重要关系。本文以b→sγ为例,在费曼规范下,利用维数正规化方案,以圈图函数展开的方式验证了一圈图领头阶满足Ward恒等式。这个验证方法可以作为场论课程的实例,其中使用的一些技巧也可以应用到其他物理过程中。结果表明,不但发散项之和在一圈水平上自动相消,Ward恒等式在一圈水平上也是成立的,此性质是检验计算结果是否正确的一个重要依据。该验证不仅仅适用于标准模型,也可在具有相同性质的各种新物理模型中应用。同时,在其他类似的过程中,也可运用同样的验证技巧。

    2020年06期 v.30;No.200 22-30页 [查看摘要][在线阅读][下载 366K]
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  • 应用型院校大学物理课程线上教学探索与实践

    竹有章;韩星星;牛海波;王小力;

    线上教学及线上线下混合式教学是当前普遍开展的教学形式,突如其来的疫情致使线上教学得以全面铺开,并在实践中凸显了线上教学的特点,锻炼了教师的教和学生的学。本文对应用型院校大学物理线上教学的组织与实施进行了探索和实践,并进行了课程教学质量问卷调查分析。实践表明,线上教学基本保证了教学目标和教学效果,具有手段丰富、互动便利、有效调动学生积极性、促进教师改革教学方法等优点。同时,也反映线上教学存在不容易及时、全面和准确掌握学生的学习状况、教学效果不易准确把握等问题,对于部分自律性较差的学生还需要加强有效引导,加强思想引导和学习管理,并通过师生的广泛交流加强教书育人。充分发挥线上教学的优势和特点,补齐教学短板,构建线下和线上融合的复合型教学新模式、新方法,对于进一步深化课程教学改革、提高教学质量具有积极意义。

    2020年06期 v.30;No.200 31-36页 [查看摘要][在线阅读][下载 339K]
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  • 中美课堂教学法——灌输式与探究式辨析

    沈乾若;

    教学模式可以分为两大类:讲授式与讨论式,或灌输式与探究式。本文分析不同课堂教学模式与方法在中美两国的实施情况及其利弊。依据认识论,人们认识事物均由个别现象着手去探索一般规律,而国内普遍的灌输式讲授即源于探索阶段的缺位。作者建议将相应的科学探索过程写入教材。对于近年来美国倡导并输入中国的所谓探究式教学,文章分析批驳了该模式所依据的"以学生为中心""个性化教学""能力比知识重要",以及"三维教学目标:情感、态度、价值观"等观念的极端化和片面化谬误。作者指出,理想教学不应以外在形式划线,而取决于能否调动学生的思维和参与;教学模式与方法不能硬性规定;高层教育主管部门的责任在于课程及其标准,而不必过多插手课堂教学。

    2020年06期 v.30;No.200 37-42+47页 [查看摘要][在线阅读][下载 157K]
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  • 利用傅里叶变换的可分割性计算夫琅禾费衍射图样

    张敬雯;王文玲;黄安平;

    本文揭示了由傅里叶变换模拟夫琅禾费衍射图像的过程具有可分割性与可加性,将衍射现象的物理过程与其傅里叶变换的数学表现相统一。通过对比基尔霍夫公式与二维傅里叶变换,验证了夫琅禾费衍射图像与衍射孔的二维傅里叶变换等价。类比夫琅禾费衍射是无数个子波的相干叠加,具有可分割性与可加性,得到由二维傅里叶变换模拟衍射图像这一过程也具有可分割性与可加性。这表明夫琅禾费衍射图像等价于其衍射孔任意分割后各部分傅里叶变换的叠加,且分割后各部分的衍射图像与其傅里叶变换一一对应。以正n边形为例,我们使用本方法推导出的衍射图像的Matlab仿真结果与现有文献中其他方法给出的结果一致。最后,我们给出了衍射现象与傅里叶变换等价的物理解释。

    2020年06期 v.30;No.200 43-47页 [查看摘要][在线阅读][下载 779K]
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  • 物理教育研究中的量子力学教学研究简述

    王思悠;朱广天;

    量子力学长期以来一直是物理学类本科生的重要基础课程之一,在物理专业教学中处于核心地位,也是物理教育研究领域的热门主题。本文从Physical Review Physics Education Research等英文期刊中选取了具有代表性的26篇文献,对其进行梳理分析之后发现,目前有关量子力学教学的研究主要集中在这三个方面:(1)学生在学习量子力学的过程中遇到的困难及困难成因;(2)针对研究中发现的困难点,对已有教学策略进行改进,并对新的教学方式进行评估,或是借助多媒体手段开发新式学习教程;(3)着眼于量子力学教学研究本身,对现有测试及评价工具进行完善,或是自主开发新的测试及评价工具。

    2020年06期 v.30;No.200 48-55+60页 [查看摘要][在线阅读][下载 220K]
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  • 简论系统学习基础物理的重要性

    董科;周雨青;

    大学物理作为一门基础物理课程,长期被弱化。很多工科大专院校要么从课时角度给予消减,要么从模块方面限制物理授课内容,不管哪种方式,最终影响的都是系统化的基础物理教学。本文以速度测量这样一个非常基础的工程应用,简单论证一个事实,即基础物理学应该系统学习,而不能压缩或模块化物理学习内容。

    2020年06期 v.30;No.200 56-60页 [查看摘要][在线阅读][下载 449K]
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  • 项目反应理论在课程教学质量评价中的应用

    崔文倩;张睿;张志华;吴天刚;

    测试是测量学生学习效果的重要手段,基于测试结果的教育数据挖掘有助于了解课程教学质量。本研究以大学物理课程为例,根据项目反应理论中的三参数逻辑斯蒂模型,计算出不同教学班级选择、填空与计算三种题型的难度系数、区分度和猜测系数,分析结果发现填空题猜测系数能较好地反映班级教学质量。研究表明无论是采用箱图法还是聚类分析法,通过填空题猜测系数这一指标都能发现教学效果出现异常的班级。通过精准化的教学质量管理,教学的整体质量将逐步提高。

    2020年06期 v.30;No.200 61-67页 [查看摘要][在线阅读][下载 522K]
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  • 弦论中的黑洞熵作为熵概念教学的一个实例

    孙小岳;曾定方;

    带两种荷的束缚态D1-D5膜体系是弦论中最简单的一种黑洞模型。本文将这种体系的熵计算问题介绍给感兴趣的老师和同学,希望为热力学与统计物理中熵的教学提供一个尽可能接近现代物理研究前沿的真实例子。

    2020年06期 v.30;No.200 68-71页 [查看摘要][在线阅读][下载 209K]
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  • 一道静电学竞赛题的分析及学习启示

    李响;马丽珍;

    本文分析了一道静电场物理竞赛题的题意和解题思路,对试题的解答过程和试题不同问题之间的逻辑关系提出了不同的见解。这种对竞赛试题进行分析的方法可以加深学生对物理基本概念和原理的理解。

    2020年06期 v.30;No.200 72-74页 [查看摘要][在线阅读][下载 173K]
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  • 参考点变更时的角动量定理

    吴洵;黄亦斌;

    本文在不变换参考系的情况下考虑参考点变更而导出了角动量定理的一个新形式,并由此导出了做平面运动的刚体绕瞬心的转动定律,还对"瞬心"的可能含义进行了辨析。最后本文通过例题比较了角动量定理的各种形式的运用。

    2020年06期 v.30;No.200 75-78+83页 [查看摘要][在线阅读][下载 196K]
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  • 均匀带电介质球空间电场及极化电荷分布解析

    邢杰;郝会颖;赵长春;吴秀文;李庚伟;

    静电学中导体与电介质在某种程度上具有一定的相似性,比如:它们都可以带电,并且都会受到外电场的影响,并随之产生感应电荷。学生在学习过程中往往没有充分认识到它们之间的差别,容易产生混淆。现有大学物理教材中很少涉及电介质带电的情况,将带自由电荷的电介质放置于外电场中的问题几乎没有讨论过。本文针对这一现状,特别设计了三个问题,讨论了均匀带电的介质球在三种不同情形下空间电场分布的问题,详细给出极化体电荷和极化面电荷的分布,并进一步计算了空间电场能量密度分布以及总能量的大小。

    2020年06期 v.30;No.200 79-83页 [查看摘要][在线阅读][下载 194K]
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  • 基于费马原理的三维空间反射定律探讨及其应用

    叶井飞;陈玉林;赵德林;

    费马原理是阐述光线传播的基本规律,是几何光学的一个重要原理,其核心内涵是光沿着光程为极值的路径进行传播。在几何光学教学过程中,通常分析或求解的光线传播过程及其几何现象是在二维平面内,且仅定性地认识费马原理的物理含义,这会使得学生形成一定程度的思维定式。为增强学生的发散性与创新性思维,提升对费马原理的一般性认识,本文基于费马原理探讨并推导了三维空间的反射定律,并应用于三维空间反射光线位置的计算。

    2020年06期 v.30;No.200 84-87+94页 [查看摘要][在线阅读][下载 229K]
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物理实验

  • 永磁结构下的涡流制动参量研究

    曹仪;张巧玉;唐明君;

    通过实验研究非铁磁性圆盘在磁场作用下的减速现象,自主设计了涡流制动仪实验装置,运用控制变量法探究影响减速效果的因素。分别探究了磁场强度、永磁铁的位置分布(即磁体中心投影与盘心的相对距离)、不同种类和大小的非铁磁性圆盘等实验参数对高速旋转圆盘的减速制动效果的影响。同时,通过建立涡流制动仪的理论模型,进行了永磁结构下的涡流制动力矩的分析与理论推导,及理论计算模拟。结果表明,实验得出的永磁结构的涡流制动仪在不同实验参量环境下的制动规律与理论模拟计算符合得很好。

    2020年06期 v.30;No.200 88-94页 [查看摘要][在线阅读][下载 1020K]
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  • 利用智能手机测物体转动惯量的居家DIY实验

    徐钱欣;丁益民;范兵;郭雪如;徐瑶;张玖琪;

    基于传统三线摆测量刚体转动惯量的实验方法,选用居家物品自制三线摆,利用智能手机陀螺仪传感器和phyphox软件,通过绘制"角速度ω-时间t"图像,计算物体的转动周期,进而测得物体的转动惯量,同时验证平行轴定理。经过多次实验后,利用智能手机测量的结果与传统方法接近,与理论值比较其相对误差更小。居家实验自制三线摆,利用手机传感器提供测量数据,不仅为破解疫情期间实验教学困境提供可能,而且增加了实验的趣味性,激发学生的创新能力,为今后的创新性和开放性实验教学提供了新思路。

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  • 雪糕棒多米诺连锁反应的研究

    李文华;颜实;王晓杰;陈宗强;

    本文研究了第32届国际青年物理学家锦标赛(IYPT)的第17题:雪糕棒多米诺连锁反应——使木质雪糕棒轻微弯曲连接在一起形成互锁的网格状的链式结构。当把这种链式结构的一端释放后,链式结构受的反作用力将抬起该链式结构,雪糕棒会被连续弹出,形成一个波阵面,即"眼镜蛇波"。本文通过改变雪糕棒的几何参数、性质和摆放角度,对形成"眼镜蛇波"的波阵面高度和波速进行了研究。结果发现,要想使"眼镜蛇波"波阵面弹起更高、传播更快,需要增大雪糕棒的厚度、杨氏模量,减小雪糕棒的长度和密度,并以尽可能大的角度摆放。

    2020年06期 v.30;No.200 100-105+110页 [查看摘要][在线阅读][下载 743K]
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  • 迎面观察时游泳池壁和池底虚像位置的解析结果及实验验证

    唐星;

    文章主要研究了人眼在游泳池边迎面所看到的水下池壁和池底虚像位置的解析结果。首先,根据平面界面折射成像的像点坐标公式,推导出以折射点横坐标为唯一参量的池壁和池底像点的轨迹方程;然后,借助于Excel软件,计算并绘制出当泳池宽度、人眼高度和泳池深度这三个变量分别独立变化时,池壁和池底的虚像曲线;最后,通过人眼观察和手机拍照,验证了以上理论推理结果,并指出诸虚像曲线共同点背后的视角因素。

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  • 基于电晕放电原理的电动机特性研究

    何羽;陈霖涛;张娴;刘科;

    在电极两端施加高压时,电极附近的气体介质就会被局部击穿而产生电晕放电现象,这在曲率半径特别小的电极上尤为明显。电晕放电在除尘器、高速打印机等装置上有较广的应用,但在高压输电等特殊场合也带来不利影响。因此,研究高压放电电晕的放电规律及放电特性具有重要的研究意义。本文采用控制变量法,主要通过改变高压电动机的定子个数、电极倾角、电极间隙等系列参数,对高压电动机转子转速的变化进行系统研究,进而探究电晕放电现象的影响因素。论文对高压电动机的设计和电晕现象的防范具有指导和借鉴意义。

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  • 利用突变弦线探究波速与线密度之间的函数关系

    郑庆跳;陈少华;王芳;

    针对均质弦线中波速随线密度变化不易直观观察的问题,本文设计了基于突变弦线的驻波装置。实验发现,在线密度较大的弦线中,波速较小。同时,本文测量了两部分弦线的线密度之比和波速之比,拟合得到了波速随着线密度变化的函数关系。相比均质弦线,突变弦线的驻波装置具有较小的系统误差,同时具有使用方便、现象直观和数据丰富的特点。

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  • 基于电磁感应的新型汽车速度检测装置研制

    杨家赫;周欣鹏;朱宜昌;董亚萍;张亚萍;

    为减少超速汽车使用"电子狗"提前减速以逃避惩罚的现象,基于动生和感生电动势的产生原理,设计了一种利用汽车压力作为测速启动信号的新型汽车速度检测装置,并进行了理论分析和实验验证。有压力作用于压电换能模块上时,该模块会通过永磁铁与金属线圈的电磁感应,将压力转化输出为类正弦交流电;该交流电经过降压稳流电路后,驱动红外发射电路编码后发射红外信号;信息采集部分接收到红外信号后,对其解调、解码后计算得到速度。模拟实验结果表明,该装置测量速度的准确度在95%以上,并可以拓展应用于检测具有一定重量任意物体的平移速度,是一种具有较高实用价值的新型测速装置。

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  • 冰的熔解热测量装置的改进

    黄嘉泰;文小青;王槿;李文华;张旭华;

    混合量热法测量冰的熔解热是大学物理中一个经典实验。使用传统测量装置易出现温度记录不准确,搅拌不均匀,散热修正不精确,实验耗时长等问题。本文应用STM32单片机、DS18B20传感器、TFT液晶屏改进冰的熔解热测量装置,实现了温度和时间的自动记录,采用辛普森公式精确计算了散热补偿面积。运用现代电子技术更新冰的熔解热测量装置,克服了传统实验方法中通过人工反复对时间、温度进行测量记录的重复性工作,有助于学生在课堂上增加实验次数,提高实验效率,并有更多的时间和精力关注更有物理意义的内容,同时提高实验结果精度。该装置易于制作,便于推广应用。装置的制作过程也是对学生实践能力的培养和锻炼过程。

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  • 原位X射线衍射探究结构相变的研究性实验——以钴酸锂的脱嵌锂相变行为为例

    余卿;范昕玥;陈寅;陈越;庄彬;姚胡蓉;黄志高;

    X射线衍射是近代物理学最经典实验之一,开发原位X射线衍射探究材料结构相变过程是一个研究性实验。LiCoO_2作为一种应用广泛的锂离子电池正极材料,其脱嵌锂过程伴随着晶体结构变化,因此钴酸锂是一个很好的应用范例。本文以LiCoO_2在脱锂过程中材料相变行为作为研究对象,利用原位的X射线衍射仪测量分析LiCoO_2作为锂离子电池正极材料在充电过程中两相区的晶粒尺寸变化规律、单胞晶格常数变化趋势以及两相转变过程中相成分比例变化。实验结果不仅证实了脱锂过程中的两相转变,而且表明了原位X射线衍射法可以实时表征锂离子正极材料充放电过程中晶体结构的演化。该研究性实验有助于学生了解X射线衍射应用的研究前沿,不仅可以激发学生的科研兴趣,同时提升了学生的实践能力和创新能力。

    2020年06期 v.30;No.200 133-138页 [查看摘要][在线阅读][下载 726K]
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书讯

  • 关于《力学》课程演示化教学与教材编著的探索与思考——张汉壮编著《力学》教材(高等教育出版社,2019年10月第4版)的前言

    迟晓春;张汉壮;

    <正>物理学是研究物质的结构、性质、基本运动规律以及相互作用规律的科学。其课程体系中的力学、热学、电磁学、光学、原子物理等俗称为"普通物理"课程,对应的理论力学、热力学与统计物理、电动力学、量子力学等后继的理论物理课程俗称为"四大力学"。通常将力学课程作为大学入学后的第一门专业课,因此其教材编著和教学方式都尤为重要。为提升教学质量,力学课程采用线上线下相结合的混合式和演示化教学方式,所用教材《力学》第4版增加了90余个应用性案例,

    2020年06期 v.30;No.200 139页 [查看摘要][在线阅读][下载 71K]
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  • 《大学物理学要义与释疑》(第2版)上下册简介

    朱红莲;

    <正>有30余年使用经历的基础图书终于出新版了,这书承载着清华多少届同学们的回忆呀!大学物理课程在大一大二理工科同学们的课表里应该是排名第二学时多的大课了吧,大概仅次于微积分。关于大学物理学课程的记忆自然也就比较多了。记得我读大学的时候上大学物理课,除了教材还有一套很好的辅导书,学习中受益匪浅,我还曾经保留该书多年。那是一套《普通物理学辅导与答疑》,共3册,32开的小开本,都不薄。那就是本套书的第1版了。《普通物理学辅导与答疑》3册自1987年起相继出版后,深受清华校内外教师和学生们的欢迎。

    2020年06期 v.30;No.200 140页 [查看摘要][在线阅读][下载 99K]
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