物理与工程

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教学研究

  • 双原子分子键长对振动热容量的影响

    吴晓毅;王鑫;刘全慧;

    在低温下双原子分子的振动自由度对气体的热容量没有贡献,当温度高于双原子分子振动特征温度的时候,振动自由度才被激发,这个双原子分子的振动是对原子间相互作用的简谐近似。不过,文献中给出的简谐近似判据,都是力学结果,而且这些结果都是定性的。本研究给出统计物理判据:简谐近似的有效性是温度必须远低于分子键能特征温度。

    2023年01期 v.33;No.213 5-9页 [查看摘要][在线阅读][下载 200K]
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  • 关于量子力学中引入波粒二象性的教学尝试

    张成园;许广智;李一杰;石薇;李永庆;

    量子力学是近代物理学的基础理论之一,也是伴随着假设争论建立起来的理论。然而在教学过程中,若直接给出波粒二象性这一基本假设,学生理解起来会显得尤为困难。因此基于教学实际和前人的研究,本文从经典的电磁理论出发,根据波动光学和几何光学的描述方法,以及程涵方程的形式,假设光对应一种实物粒子。进而由普朗克的量子化条件,讨论了光的波动性和粒子性之间的联系,推导出了普朗克-爱因斯坦关系以及德布罗意关系,体现了光和实物粒子的波粒二象性。

    2023年01期 v.33;No.213 10-14+21页 [查看摘要][在线阅读][下载 226K]
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  • 等效库仑荷分布计算方法及其应用

    杨文娜;熊兆华;

    满足平方反比率的库仑相互作用在场论中具有独特的意义,高斯定理描述了三维空间矢量场源的属性。本文把其他类型势函数,如汤川势、谐振子势等转换为等效库仑荷分布,由此利用三维有源场满足的高斯定理来计算空间中的场强以及其他相关物理量。本文也专门设计了一个均匀分布汤川荷的硬球散射例题来展示这种方法的优越性。虽然这种方法在具体计算工作量上没有显著改进,但是得到的等效库仑荷分布在处理有体积粒子的时候会有更加清晰的物理图像。转换方法以及具体例题对拓展场论等相关课程教学有一定借鉴意义。

    2023年01期 v.33;No.213 15-21页 [查看摘要][在线阅读][下载 249K]
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  • 摩擦振子行为的建模与探究

    娄泽坤;黄俊涵;袁马轲;乐永康;

    一般认为滑动摩擦力正比于接触面之间的正压力,而摩擦系数只和接触面材料有关,与摩擦副之间的相对运动速度大小无关。在对IYPT2020第13课题“摩擦振子”的研究中,我们搭建了适用的实验设备,得到摩擦振子振幅先随时间增大,然后受摩擦轮转速限制而稳定在一定值的实验结果。由理论分析可知,振幅随时间增大的现象是摩擦系数随摩擦副之间的相对速度增大而减小决定的。摩擦系数随速度变化的定量测量证明了这一依赖关系。

    2023年01期 v.33;No.213 22-26页 [查看摘要][在线阅读][下载 466K]
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  • 动边界一维无限深势阱中粒子的演化

    顾卓成;刘昊迪;衣学喜;

    因其时间上的周期性,周期驱动的量子系统在很多方面都展现出了奇异的物理性质,如绝热演化和时间晶体。在简单物理系统中展示这些奇异性质不仅可以加深对量子力学的理解,还可以培养学生的科研兴趣。本文展示当一维无限深方势阱的边界发生周期变化时,处于势阱中粒子的时间演化规律。研究考虑了绝热演化与非绝热演化两种情况,通过解析分析和数值模拟,求解了绝热和非绝热两种情况下,系统在不同参数以及边界运动模式下基态的占据几率。通过求解系统能量期望值和能量偏离值,给出了边界的振动频率和强度对粒子处于不同能级概率的影响。结果表明:相同速度的势阱扩张和收缩运动对阱中粒子的时间演化影响不同;不同的阱壁周期运动模式对粒子的时间演化影响也不同。本文还对数值方法给出的结果进行了简单的解释。

    2023年01期 v.33;No.213 27-34页 [查看摘要][在线阅读][下载 710K]
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  • 一般情况下一维j原子链的求解及色散关系讨论

    董佳豪;张立新;

    本文推导了一般情况下一维j原子链晶格振动的计算模型,并在简谐近似和最近邻近似下获得了晶格的运动方程组。令j=2,3分别计算了一维双原子链及三原子链晶格振动的色散关系,得到了与现有教材及文献相同的结论。本文还讨论了原子质量顺序、恢复力系数顺序等特有晶体结构参数及原子质量大小、恢复力系数大小、晶格常数等一般晶体结构参数对一维三原子链晶格振动色散关系的影响。本文内容可为固体物理教学提供额外的教学素材,帮助学生深入理解晶格振动相关内容,也可为工程上带通滤波器的研发提供一定的参考。

    2023年01期 v.33;No.213 35-42页 [查看摘要][在线阅读][下载 654K]
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  • 人造飞船逃逸地球三种方法的理论分析与数值模拟

    金惠吉;陈超;杨祺;

    本文从三种逃逸地球的方法——“单次点火逃逸、两次点火逃逸(Oberth效应)、三次点火逃逸(Edelbaum效应)”出发,研究讨论了三种逃逸方式在喷气变轨时消耗燃料的多少以及飞船运行时间的计算方法,并根据理论进行了VPyhton数值模拟,模拟出的飞船三种逃逸方式和理论上的情况一致,最后又根据理论进行了GeoGebra作图定量分析比较了三种逃逸方式在燃料消耗以及运行时间上的大小关系。

    2023年01期 v.33;No.213 43-49页 [查看摘要][在线阅读][下载 859K]
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  • 电动力学混合式教学质量影响因素及改进措施

    田翠锋;刘艳红;张子珍;刘红梅;王萍;

    混合式教学是传统教学与网络教学的有益结合,为高校探索教学改革提供了一种有效模式。线上教学是对信息技术和教学管理与监控的考验,而线上与线下内容协调成为难点,因此,如何把控混合式各个教学环节,保障教学质量是目前混合式教改中突出的问题。本文以“电动力学”课程为例,通过线上数据(超星平台)、线下数据和三届学生问卷调查,分析了混合式教学过程中存在的问题,获得了混合式教学质量的主要影响因素,进而提出一定改进措施,使混合式教学质量不断提高。

    2023年01期 v.33;No.213 50-53+60页 [查看摘要][在线阅读][下载 233K]
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  • 课程思政的“根、本、魂”和相应教育“三观”的理性探讨——从思政视角探讨大学物理课程思政

    朱鋐雄;王向晖;尹亚玲;

    课程“土壤”是课程思政的“根”之所在(与课程观的理念更新对应);立德树人是课程思政的“本”之所归(与教育观的理念更新对应);融入转化是课程思政的“魂”之所系(与教学观的理念更新对应)。大学物理课程思政是在课程实施过程中扎根课程,以隐性教育方式体现课程育人价值、全方位地推进大学物理课程建设(包括课堂教学、教材建设、教学方法、课程评价、队伍建设等各方面)的“思想引领”和“目标引领”。

    2023年01期 v.33;No.213 54-60页 [查看摘要][在线阅读][下载 154K]
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  • 重新认识物理教学——“人文的物理学”的启示

    潘小青;

    物理教学要怎么做?首先要对物理学有基本的认识,然后对教学有基本的理解,再就是清楚作为教师的主要职责。本文受“人文的物理学”课程的启发,认识到物理学是物理学家看待世界的方式,有着不可思议的美感。科学也是人文历史的一部分,与人文有着不可分割的联系。科学常携带科学家的个人情感和成见。作为物理教师在教学中要能不断地提出启发性问题,能用通俗的语言解读复杂的物理问题。并且学会设计开放的作业和考题让学生在练习中品位物理。作为高校教师能意识到教学不是给学生派任务,而是送礼。教师自身需要博览群书,不断提高自我修养才能践行教书育人使命。

    2023年01期 v.33;No.213 61-64+70页 [查看摘要][在线阅读][下载 120K]
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  • 大学物理课程模块化教学与敏捷教学模式的探索与实践

    韩艳华;姜永远;王新顺;

    为保证“中国制造2025”“创新驱动发展”等重大战略顺利实施,国家需要储备大量具有较强创新能力的新兴工程开发及应用人才。高等教育对人才的培养应该服务于国家战略需要,因此,随着人才需求的升级,大学物理课程作为理工科专业的基础课,教学内容、教学模式等也应随之升级。教学内容上要注重与专业学科融合,增加与专业相关的新知识、新技术、新发展的介绍;教学模式上要注重学生知识运用能力和创新能力的培养。本文提出将教学内容划分为基本教学模块和专业个性化教学模块;教学模式上实行敏捷化教学,以问题或项目为导向、以学生能力驱动、学做结合、不断迭代,实现学生实践应用和创新能力的递次提升。

    2023年01期 v.33;No.213 65-70页 [查看摘要][在线阅读][下载 188K]
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  • 关于物理教学课程思政的思考与实践——物理认知与世界观培养的关系及教学

    张映辉;

    本文贯彻高等学校课程思政建设指导纲要关于“寓价值观引导于知识传授和能力培养之中”的要求,承接以“ETA物理认知模型”~([1])为基础的“科学认知能力培养”等课程思政观点,探讨一线教师如何进一步认识物理教学与“三观”培养的关系,以及在教学实践中如何融入思政内容、实现思政目标的具体方略等问题。第一部分,主要从物理学的特点出发,探讨实现课程思政目标、任务和要求的总体思路和逻辑路径。第二部分,主要结合案例(或相关内容提示),从世界观、价值观(人生观)、方法论三个维度论述和提出了如何在教学中融入唯物辩证观点,引导学生树立正确的世界观,培养和强化科学精神,以及深入理解和掌握科学方法(论)的内容、时机和方法。

    2023年01期 v.33;No.213 71-76页 [查看摘要][在线阅读][下载 326K]
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  • 实践育人,践行思政——基于大学物理实验的课程思政教学设计

    史新伟;李杏瑞;祝柏林;潘志峰;贾建峰;王杰芳;

    “课程思政”作为一种教学理念已经从部分高校在“点”上的探索发展为我国高等教育界在“面”上的共识。大学物理实验是我国理工科类高等院校的一门必修公共基础课,蕴含丰富的思政元素,在思政教育方面具有明显的优势。本文通过构建思政格局,建立了TSTC教学体系,系统研究了从团队建设、教材设计到教师思政意识提高,再到思政教育内容的凝练和思政教育方法的探索与实施,实现了自然高效地融学生世界观、人生观和价值观的塑造于课堂专业教学,达到课程思政进学生心、装学生脑、融学生骨的效果,从而实现了课程“立德树人”目的。

    2023年01期 v.33;No.213 77-82页 [查看摘要][在线阅读][下载 409K]
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物理实验

  • 霍尔效应测量中的不等位热扩散电势差

    李潮锐;

    尽管常规换向直流法可消除已知副效应干扰并得到霍尔电压,但它掩盖了存在未知附加电势的实验事实。将4次换向测量归纳为磁场与样品电流同相组合和反相组合,根据在磁场中样品电流和热扩散电流具有相似物理行为,必须考虑不等位热扩散电势差的影响。这一方案不仅更清晰地解释4次换向测量平均的物理原理,还通过同相测量平均和反相测量平均之差与和得到不等位热扩散电势差与确定且可重复的霍尔电压。实验事实及分析结果表明,引入不等位热扩散电势差才能完整描述霍尔测量中所有副效应的贡献。

    2023年01期 v.33;No.213 83-87页 [查看摘要][在线阅读][下载 352K]
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  • 利用降膜流动测量液体黏滞系数

    周苏羽;文小青;王槿;李文华;邓志超;张思遥;

    利用降膜流动设计并搭建了测量液体黏滞系数的实验装置,根据不可压缩液体N-S方程,结合边界条件建模。采取测量液膜表面速度的方法计算液膜厚度。测量了蓖麻油不同流量下的黏滞系数,倾斜板在不同倾角下,黏滞系数测量相对准确的流量区间基本相同,相对误差在8%以下。分析了装置的适用条件和误差来源。并用全内反射法进行了液膜厚度对比验证。该研究丰富了测量液体黏滞系数的教学内容和方法,有助于学生掌握流体力学相关知识,提高综合设计能力。

    2023年01期 v.33;No.213 88-94页 [查看摘要][在线阅读][下载 614K]
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  • 用阿特伍德机精确测量重力加速度

    陈学鹏;姜博浩;侯天驰;朱容齐;王晓峰;

    阿特伍德机是普通物理力学部分的一个常见模型,涉及刚体定轴转动过程中转动角速度、角加速度等物理量的相关计算。本文利用PASCO转动传感器搭建了一个简单的阿特伍德机装置,在考虑到滑轮转动惯量对实验影响的情况下测出重力加速度为g=9.618±0.051m/s~2,之后本文进一步考虑转动轴承摩擦力矩的影响,使用改变装置释放条件的方式对摩擦力矩进行修正,测得重力加速度为g=9.791±0.028m/s~2。搭建的装置和实验方法具有通用性,可作为大学物理实验的内容提高学生实践动手能力和理实结合能力。

    2023年01期 v.33;No.213 95-100+106页 [查看摘要][在线阅读][下载 486K]
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  • 复虹现象的实验研究

    彭子云;漆元臻;李泽宇;梁颖;向红;韩德专;

    彩虹是一种常见的大气光学现象,在一定天气条件下,在彩虹的附近还会出现附加的弧形彩色条纹,这就是复虹。目前关于复虹的实验研究还十分有限。本文从集体散射与单体散射两方面对复虹现象进行了实验研究。通过水雾光散射再现了复虹现象,并测量统计了水滴尺寸及其分布对复虹的影响。然后通过单水滴光散射实验,研究了不同照明波长、不同水滴尺寸下的复虹现象,从微观上解释了复虹的形成机理。我们还利用散射理论计算研究了水滴尺寸及其统计分布对复虹效果的影响,计算结果进一步证实了实验结论的正确性。

    2023年01期 v.33;No.213 101-106页 [查看摘要][在线阅读][下载 624K]
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  • 撒克逊碗的下沉临界条件与沉没时间

    李佳泓;林蕴芊;赵芸赫;黄敏;马宇翰;

    “撒克逊碗”是一种底部有孔的计时装置。本文以圆柱形撒克逊碗为例,建立了其在水中下沉的物理模型。首先,本文确定了撒克逊碗顺利下沉的临界条件,包括水能涌入碗的条件和碗初释放时出现倒灌现象的条件。然后,本文研究了水涌入碗后系统的动力学过程,推导出碗的下沉时间与碗的几何特征间的定量关系。进一步,本文设计了实验以检验理论模型的正确性。与实验得到的碗下沉时间相比,相应的理论值普遍偏小。将碗下沉过程中受到的黏滞阻力和压差阻力、孔口处淹没射流及水头损失、碗完全浸没前受表面张力的影响考虑在内后,理论和实验的一致性明显增加。最后,本文还引入了壁面函数用于分析形状各异的撒克逊碗的下沉时间。

    2023年01期 v.33;No.213 107-114页 [查看摘要][在线阅读][下载 454K]
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  • 一端部分封闭管内声波的谐振频率

    胡安琦;张格格;李春熠;白在桥;

    实验发现声波谐振管封闭端微小的缝隙会导致谐振频率发生相当大的移动。本文从理论和实验两个方面对这个现象进行了探讨。理论上,我们将缝隙简化为一段细管,在一维波近似下得到确定谐振频率的特征方程,结果可以定性上解释实验现象。实验上,我们在封闭端开孔,通过改变孔的面积使得边界条件从闭管连续过渡到开管情况。测量结果表明,谐振频率的移动主要取决于开孔面积,与孔的形状与位置关系不大。随着孔的面积增大,频率向上移动,而且呈现显著的先快后慢规律。

    2023年01期 v.33;No.213 115-119页 [查看摘要][在线阅读][下载 345K]
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  • 基于LabVIEW和浊度传感器的扩散系数测量装置的研发与应用

    县涛;邸丽景;孙小锋;孙晨洋;李佳悦;

    近年来,大学物理实验教学内容和模式的改革成为各高校实验工作者研究的焦点。特别的,利用虚拟仿真技术和单片机技术设计的具有实验效率高、测试项目广和操作简单等特点的实验设备得到广大师生的关注。本文研发出一种基于LabVIEW虚拟仿真平台和浊度传感器的新型扩散系数测量装置,该装置具有结构简单、操作方便和成本低廉的优点,为物质扩散系数的测量开辟了一条新途径。以牛奶在水中的扩散为例,测试了牛奶的扩散系数,并对实验结果进行了详细的误差分析,得到牛奶在室温下的扩散系数测量值为D=(8.28±0.06)×10~(-9)m~2/s。

    2023年01期 v.33;No.213 120-127页 [查看摘要][在线阅读][下载 584K]
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  • 密立根油滴实验中温度因素的影响:理论考量与实验校准

    朱明宇;陈艺欣;陈敏;尹亚玲;宋也男;

    密立根油滴实验中,油滴荷电量的测量往往受各种误差的影响。研究发现,忽视温度变化对空气黏滞系数与油的密度的影响,是油滴实验中系统误差的主要来源,考虑其影响是获得理想的元电荷测定结果的必然要求。本研究设计了实时测温的实验方案,并根据温度变化校准实验参数。据此得到的元电荷测定结果,在本研究实验条件下,相对误差从未校准时的4%降至校准后的0.5%。实验结果验证了方案的可行性,以及对温度变化对参数影响所作修正的必要性。

    2023年01期 v.33;No.213 128-133页 [查看摘要][在线阅读][下载 311K]
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  • 正负电子谱仪屏蔽方案的模拟优化设计

    江小丹;徐妙华;李英骏;

    超短超强激光通过尾波场加速产生的高能负电子束与金属靶相互作用可以获得高能正电子束。实验和计算均表明当高能负电子与较厚的靶相互作用时,产生的正负电子和X射线强度强、发散角大。针对这种情况,为了准确测量能谱,谱仪前方必须使用准直孔,让混合束通过准直孔后再进入大间隙的磁场区域内进行偏转和探测。应用FLUKA程序模拟表明,通过在谱仪外部添加准直孔,谱仪内部添加塑料(以下简称CH)屏蔽片的方式,可以实现谱仪能量分辨率的提高和对噪声的有效抑制,从而实现在混合场中对正电子束能谱进行更准确的诊断。

    2023年01期 v.33;No.213 134-142页 [查看摘要][在线阅读][下载 2104K]
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  • 涡旋光在大学物理实验教学中的探究

    王志平;吴伟;宋飞;王雨龙;王雨杭;王浩;

    涡旋光具有独特的强度和螺旋相位结构而备受人们的关注。基于涡旋光与铷原子相互作用,本文研究分析了入射光的频率、拓扑核数以及偏振状态等参量涡旋光束轮廓和能量分布的影响。实验结果表明这些参量可以实现对涡旋光空间分布的有效调制。我们的实验探索能让大学生对涡旋光有更深的理解,拓展他们的眼界。本实验研究也将在大学物理实验教学方面具有潜在的应用。

    2023年01期 v.33;No.213 143-146页 [查看摘要][在线阅读][下载 244K]
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  • 利用衍射法自动测量金属的弹性模量

    沙金巧;杨俊义;范君柳;樊丽娜;

    采用夫琅禾费衍射原理,发展了一种利用衍射法自动测量金属丝弹性模量的新方法。利用CCD同时获得单缝衍射和单丝衍射图像,编写图像处理程序,对两类衍射条纹进行采集与自动化处理,得到衍射条纹的中央明条纹宽度,分别测量金属丝的微小伸长量和金属丝的直径,从而精确地获得金属丝的弹性模量。衍射法在微小尺度测量上具有较高精度,可用于精确测量金属丝的弹性模量,将光学测量应用于力学量测量,对于培养大学生综合实验技能具有重要作用。

    2023年01期 v.33;No.213 147-150页 [查看摘要][在线阅读][下载 462K]
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  • 原子能级粒子数热布局虚拟仿真实验的设计开发与教学实践

    张佳音;李磊朋;王启宇;梁红;

    本虚拟仿真实验探究稀土离子热耦合能级粒子数随温度的变化规律。使学生掌握温度对原子能级粒子数的影响,并建立温度与荧光强度、荧光强度比之间的关系,深入探究温度对荧光强度和荧光强度比影响的区别和联系,加强对此部分理论知识的理解。进一步将理论知识进行实际应用,利用荧光强度比测量温度。通过本实验的学习,使学生对原子能级性质的理解更加深刻、掌握正确的荧光测试系统搭建过程,光路调节方法以及光谱数据的计算分析方法。激发了学生的学习兴趣,夯实了理论基础,并能学以致用,使学生对知识理解透彻,获得事半功倍的教学效果,仿真实验成绩优秀率达81%。

    2023年01期 v.33;No.213 151-156+171页 [查看摘要][在线阅读][下载 558K]
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大中衔接

  • 基于“ETA物理认知模型”建构《静电场》大单元教学设计——大学物理教学成果对中学物理教学的启迪

    李银;

    本文以“ETA物理认知模型”为导引,以高中物理“静电场”单元为例,重点阐述教学设计的几个要点,包括教材次序的重构,教学素材的优化,教学过程的逻辑显化,科学方法显化,课程思政的明示和暗示。由此概括出物理教学的“四美”:导入艺术之美、逻辑简约之美、方法力量之美、人文情怀之美。

    2023年01期 v.33;No.213 157-161页 [查看摘要][在线阅读][下载 231K]
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  • “3+3”新高考制度大中学物理教学衔接的研究与实践

    王晓鸥;张伶莉;袁承勋;黄喜强;刘志国;曹永印;

    本文针对“3+3”新高考制度下,大学物理与中学物理的衔接问题给出了解决方案。新高考制度下,大学与中学物理教学需要在知识体系和教学内容上有效衔接,同时,需要解决中学的应试教育向大学的科学思维过渡的问题,并提高学生在无监管下学习的主观能动性。哈尔滨工业大学物理学院大学物理教研室从课程体系、教学内容、教学方法、教学模式、选课机制、考试方式等方面进行了深入研究,给出了解决方案,并在教学过程中实施,取得了良好的教学效果。

    2023年01期 v.33;No.213 162-166页 [查看摘要][在线阅读][下载 428K]
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  • 基于Working Model深度解读《2022版物理课标》中古人运送巨木的插图

    张怀华;

    从结构力学的角度研究了《义务教育物理学科课程标准(2022年版)》内附样题中我国古人搬运巨木场景插图,分析了插图中支架上弯矩的分布规律,并利用WorkingModel软件进行了仿真;发现支架上弯矩的最大值分布在被绳索约束的交叉点附近,支架最容易在绳索约束处断裂;支架中较粗一端朝上,有利于增加支架的强度。

    2023年01期 v.33;No.213 167-171页 [查看摘要][在线阅读][下载 512K]
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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Ⅱ:多种拓扑材料

    黄侯迪;常治文;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,本文是第二篇。基于第一篇回顾过的各种量子霍尔效应及其中的拓扑不变量,本篇介绍多种新材料,包括石墨烯、拓扑绝缘体和拓扑半金属。重点将放在晶格结构的紧束缚模型处理,以蜂窝六角晶格和方晶格为例推导出描述量子反常霍尔效应的两带模型,介绍能带结构与拓扑不变量(陈数、拓扑映射度等)的联系及其所导致的体-边对应关系(bulk-boundary correspondence)。其中自旋轨道耦合(spin-orbitcoupling)的写法、哈密顿量的傅里叶(Fourier)变换、能带结构的求解、拓扑不变量及边缘态的计算都有助于夯实初学者的理论基础。另外本篇还将简述不同种类的拓扑半金属的能带结构及其表面态。

    2023年01期 v.33;No.213 172-188页 [查看摘要][在线阅读][下载 1095K]
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