物理与工程

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特约稿件

  • 关于动生电动势起源的讨论

    李志兵;

    法拉第电磁感应定律统一描写了两种不同的物理现象:(1)曲面内磁通变化在构成曲面边界的闭合曲线上存在感应电动势;(2)在磁场中运动的曲线上存在动生电动势。虽然都知道这两个现象背后的基本规律均为麦克斯韦方程组和洛伦兹力公式,但是对现象(2)有不同的解释。本文从电荷轨道约束的角度讨论动生电动势的意义。对运动电荷的轨道进行约束需要对电荷施加一定的约束力。若预定轨道依赖于时间,约束力会对电荷作功,从而导致动生电动势,磁场在其中起着传递约束力的作用。我们通常不知道约束力的准确表达式。动生电动势的主要用处是让我们在分析电荷沿预定轨道运动的能量变化时无需求助于约束力,而这严格来说仅适用于准静态过程。电动势概念从准静态过程到迅变过程的推广并不唯一。本文把电动势一般地定义为:在单位正电荷瞬间走过某预定轨道的虚过程中外界对该电荷所作的虚功。这个定义同时适用于感应电动势和动生电动势,预定轨道曲线可以具有任意形状(开或闭合)并随时间变化。

    2023年04期 v.33;No.216 3-6页 [查看摘要][在线阅读][下载 1008K]
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教学研究

  • 试论ChatGPT对大学基础课教学的影响

    范春蕾;武荷岚;解希顺;

    随着人工智能技术的迅猛发展,ChatGPT(Chat-based Generative Pre-trained Transformer)在教育领域逐渐崭露头角。作为一种基于自然语言处理的人工智能工具,ChatGPT在大学基础课教学中具备发挥重要作用的潜力。本文尝试从教学本身的特性出发,结合大学基础课教学的特点,对ChatGPT在个性化学习支持、即时问题解答、学习资源和教学案例、批判思维和讨论,以及即时反馈等方面的积极影响进行了研究,发现ChatGPT能够提供优选的教学方案和步骤,预测学生学习中可能遇到的问题并能分析原因进行回答等。同时本文对ChatGPT对教学的负面效应与不足进行了分析,如缺乏人类情感和情绪理解能力,难以提供与学生建立情感连接和情绪支持的经验,也无法进行个性化教学等,而在教学过程中,教师的情感和情绪表达对于学生的学习和发展又是至关重要的。由此得出的初步结论是:ChatGPT的出现对大学基础课教学既有应用前景又具有挑战性,它对大学基础课教学特别是大学理科基础课教学的影响总体来说是积极的,但不利影响也不可轻视,特别是对文科基础课的教学影响更不能掉以轻心。我们需要把握好教学的本质和规律,尽量避免人工智能的某些不利影响和冲击;因势利导,借助ChatGPT的优势之处,使大学基础课的教学改革得到更快更好的发展。

    2023年04期 v.33;No.216 7-11+17页 [查看摘要][在线阅读][下载 1022K]
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  • 利用留数定理对一类广义积分的推广

    张子啸;杜学瑞;马永利;

    在数学物理问题中常常遇到一类广义积分■或■,其中正整数n和实数α满足n≥1和0<α<n。现有数学物理方法教科书中,一般将n和α取一些特殊值而不具有普遍意义,并且所选积分回路内含有多个奇点,计算较为复杂。我们从整个大圆弧中截取了弧度为2π/n的大圆弧构成的最小扇形积分回路,既推广了参数范围,推导过程又简单。根据留数定理,结果简洁:■,和I′_±是I_±的线性组合。我们综合介绍了此广义积分的几种解法,分析了由高等数学知识求解此类实变函数积分的限制性,并讨论了传统方法的繁琐性。

    2023年04期 v.33;No.216 12-17页 [查看摘要][在线阅读][下载 1043K]
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  • PRPER中国元素文献分析

    张彧瑞;朱广天;

    2005年创刊的PHYSICAL REVIEW PHYSICS EDUCATION RESEARCH(PRPER)一直是国际上物理教育研究领域的权威期刊。本文聚焦于具有中国元素的物理教育研究在PRPER的呈现情况,统计了PRPER于2005年至2022年发表的文章共计1034篇,从中整理出含有中国元素的105篇文章,利用文献分析的方法,从中国作者、中国高校、中国样本、发文数量变化、研究领域分布及代表性工作等方面,对这些文章进行了全面梳理,并从中总结了近年来中国物理教育研究发展的特点。数据显示,PRPER创刊伊始中国作者发表文章的数量较少,进入2012年后,发文数量呈现上升趋势,有越来越多的综合性高校的物理教学和科研团队投入到物理教育研究中,研究范围囊括评估、研究方法、课程与教学、问题解决、认知与心理、概念理解、认识论、态度和信念等多个方面,且具备持续产出的能力。

    2023年04期 v.33;No.216 18-25页 [查看摘要][在线阅读][下载 1816K]
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  • 运动声源的多普勒效应——第22届亚洲物理奥林匹克竞赛实验试题第二题介绍与解析

    钱钧;张春玲;李文华;赵明刚;刘丽飒;惠王伟;王槿;张天浩;孔勇发;宋峰;

    第22届亚洲物理奥林匹克竞赛实验试题共两道,其中第二道是声学黑匣子。该题目是一道虚拟实验题目,在二维平面上通过探测器对于运动声源的频率信号探测,判断声源的初始位置以及相关运动学参数等。该题目设计新颖,解法巧妙,综合了声波的传播与测量、声学多普勒效应等相关知识。在疫情形势下,非常适合物理专业学生进行线上虚拟实验学习。本文详细介绍了竞赛试题的内容,并给出试题的分析和解答。

    2023年04期 v.33;No.216 26-30+35页 [查看摘要][在线阅读][下载 1358K]
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  • 转动参考系中质点运动的动力学分析及数值模拟

    师玉荣;张得健;王峰;

    转动参考系中质点在惯性力作用下的运动是力学教学的难点,本文分别在匀角速转动参考系、变角速转动参考系和惯性系下对该问题的动力学进行分析,得出质点的动力学微分方程;并基于欧拉法,利用Matlab软件对该问题的动力学微分方程进行了数值计算求解和模拟,直观地画出了质点的运动轨迹,基于程序数据对该问题的运动规律进行了较为深入的分析。将研究内容融入教学中,提高了教学效果,培养了学生解决实际问题的能力,对海洋科学、大气科学等相关的专业的后续专业课学习产生了积极的影响。

    2023年04期 v.33;No.216 31-35页 [查看摘要][在线阅读][下载 1169K]
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  • 光栅衍射与相控阵雷达结合的教学案例探索

    崔慧娟;陈曦;

    光栅衍射是光学教学中重要的章节,是对多缝干涉和单缝衍射的综合运用。但是教学过程中会出现教学过程枯燥、教学内容晦涩难懂等问题,这极大地影响了教学效果。本文基于光栅衍射的基本公式,以实际工程应用相控阵雷达为案例,融入课程思政,同时结合Matlab仿真,具体形象地展示了光栅常数、缝宽、衍射角对衍射光谱的影响,以及相控阵雷达的基本原理与以上各因素的联系,在学习知识的同时让学生掌握了相控阵雷达的基本原理。本次教学探索对于光栅衍射教学知识点的教学、思政、实际问题的解决都具有重要的意义。

    2023年04期 v.33;No.216 36-40页 [查看摘要][在线阅读][下载 1317K]
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学术研讨论文选登

  • 查理定律与盖·吕萨克定律的历史探究

    孙雨菲;毛婧一;秦思学;张学锋;

    查理(Jacques Alexandre César Charles)是法国著名的发明家、科学家和热气球驾驶员,是热气球发展史上的传奇人物。盖·吕萨克(Joseph Louis Gay-Lussac)是法国著名的化学家和物理学家,与查理一样,是热气球和气体定律发展的先驱。两人都为气体定律的发展作出了极大的贡献,然而以两位科学家的名字命名的这两条定律却总是被混淆。本文通过介绍查理定律与盖·吕萨克定律的发展由来、命名原因以及实验过程来理清历史脉络,去伪存真。

    2023年04期 v.33;No.216 41-46页 [查看摘要][在线阅读][下载 1400K]
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  • 水波干涉衍射的演示与仿真实验设计研究

    袁晨翔;翟立朋;常凯歌;李俊豪;叶颖东;张俊武;

    本文自主设计了一种水波干涉衍射的演示实验仪器,通过光影法进行增强,展示了水波干涉衍射的效果。本文还研究了振动频率、衍射缝宽等不同条件下的干涉衍射现象,并对该现象的原理进行了深入探讨。同时本文基于Matlab开发了一种可视化的水波干涉衍射虚拟仿真实验,具备图形化、直观性等优点。经过与演示实验现象的对比验证了仿真实验的合理性。仿真实验可以更好地应用于大学物理课堂演示。本研究成果可以促进物理学相关领域的研究和应用,对推动相关领域的发展具有重要的意义。

    2023年04期 v.33;No.216 47-51页 [查看摘要][在线阅读][下载 2202K]
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  • 大学物理课程思政教学评价初探

    邹斌;渠朕;崔彬;杨玉平;张谷令;

    大学物理课程思政是一种隐性的思想政治教育,对其进行教学效果评价研究是目前教学工作中需要解决的问题。本文采用调查问卷进行课程思政教学评价研究,科学界定大学物理课程思政教学评价,并将其划分为家国情怀、科学精神、科学家精神和中华优秀传统文化四个一级指标,编制的调查问卷初步检测信度和效度良好。通过对比研究部分学生在大学物理学习前和结课后的情况,本文分析了目前大学物理课程思政教学中需要关注的问题。希望本研究的相关问卷工具和调研结果为各高校开展大学物理课程思政教学提供有益借鉴。

    2023年04期 v.33;No.216 52-59页 [查看摘要][在线阅读][下载 1787K]
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  • 对巧克力相变迟滞现象的理论解释——朗道-德冯谢亚理论以及铁电相变理论

    李昕玥;王梓烨;秦亦沙;李家驹;方爱平;田蓬勃;冯俊;蒋臣威;张修兴;王小力;

    巧克力作为生活中常见的事物,其储存方法一直是食品科学界研究的重要课题,而由相变产生的巧克力凝固和融化等现象对巧克力的储存产生了决定性的影响;但由于巧克力的成分复杂且晶体结构多变,目前只在生活中实现了控制巧克力保持良好性状的储存,而鲜少有研究分析其背后存在的相变机理。研究中首先基于朗道-德冯谢亚理论,使用序参量描述了影响相变的相关因素,初步解释了巧克力相变当中存在的迟滞现象;而后进行了相关实验,提出了一种对朗道理论的修正来解释实验现象;最后,通过研究巧克力的主要成分可可脂晶体的铁电相变,对德冯谢亚理论中未作出解释的势垒产生做出了阐述。

    2023年04期 v.33;No.216 60-65页 [查看摘要][在线阅读][下载 1175K]
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  • 基于OBE教学理念的大学物理实验线上线下混合式教学实践

    刘婷;蒲贤洁;徐玮婧;郑雪丽;杨东侠;杨骏骏;张选梅;

    近年来,线上线下混合式教学模式逐步兴起,但该模式未用数据充分分析学生的学情,为改善这一不足,教改组基于OBE教学理念,结合课堂派在线课堂管理平台,挑选线上部分及线下建设教育资源,获得学生学情,反向设计线下教学环节,建设基于OBE教学理念,从学情出发的大学物理实验线上线下混合式教学模式,满足学生核心需求的同时调动学生兴趣,提升教学质量。通过教学实践及学生期末笔试成绩表明,该教学模式能精准服务教学目标,有利于学生深入理解实验原理,灵活运用所学知识,有助于逐步提升学生实践、创新能力,提高教学质量。

    2023年04期 v.33;No.216 66-72页 [查看摘要][在线阅读][下载 1758K]
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  • 测量误差、不确定度与真理的相对性——实验教学的一个难点及课程思政

    张映辉;

    课程思政离不开具体的教学内容,思政观点必须与课程内容有较强的相关性;大学阶段的课程思政既要有较强的政治性,又要有较高的层次性。本文将真理的相对性(及相关原理、观点)融入误差与不确定度教学,在帮助学生深入学习理解不确定度概念及应用的同时,进一步熟悉和理解唯物辩证法相关原理和观点,引导他们坚定政治信仰,强化投身科学事业探索未知的信心和决心,并试图以此作为理工学科课程思政建设视角、思路和方法的一次实践探索,供同行诸贤参考。

    2023年04期 v.33;No.216 73-78页 [查看摘要][在线阅读][下载 1526K]
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  • 基于Hirota方法探求非零边界条件下MNLS/DNLS方程的孤子解

    周国全;雒润嘉;齐蓥;

    Hirota双线性导数变换处理非线性偏微分方程,是一种比反散射变换更为方便的直接方法。本文展示了Hirota双线性导数变换法应用于求解非线性可积方程的一般手续,以非零驻波边界条件下修正的非线性薛定谔(MNLS)方程为例,探求其孤子解;再通过简单的参数归零法直接得到导数非线性薛定谔(DNLS)方程在非零常数边界条件下的相应孤子解,亮/暗孤子解随时间和空间变量的演化也通过图像加以演示,所得孤子解与反散射方法得到的结果一致相符。

    2023年04期 v.33;No.216 79-84页 [查看摘要][在线阅读][下载 1160K]
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  • 基于反溯教学法的物理实验课程思政建设的探索

    李莉;张师平;裴艺丽;谢子昂;陈森;吴平;

    物理实验具有天生的“思政”教育属性,可以帮助学生树立爱国情怀,为培养学生客观进取、实事求是的世界观和人生观奠定基础。为实现高质量人才培养的目标,我们提出了物理实验的反溯效教学法,将现代科学技术新发展引入物理实验课程内容,激发学生探索欲和创造欲的同时,深挖物理实验中的思政元素,以此打通前沿科技发展、基本物理原理与现象、课程价值引领之间的联系,探索了物理实验的知识传授、能力提高与价值塑造三位一体的育人模式。本文以霍尔效应实验为例,探索了基于反溯效教学法的思政元素融入物理实验课程的方法。

    2023年04期 v.33;No.216 85-94页 [查看摘要][在线阅读][下载 1728K]
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  • 近十年国内大学物理演示实验相关研究的趋势与展望

    王嘉宝;王晓杰;

    物理演示实验通过具象的实验帮助学生理解理论知识,在物理教学中有着重要的作用。本论文利用Citespace软件对中国知网近十年来(2013—2022年)与国内大学物理演示实验相关的208篇文献进行量化分析,包括期刊类型和发文量、作者和机构、研究主题、研究热点等维度。根据量化分析得到的主要研究领域和研究热点,对物理演示实验的价值、类别和成效进行质性分析。最后对近几年大学物理演示实验教学的不足进行总结分析,并对未来大学物理演示实验的发展提出了五点建议。

    2023年04期 v.33;No.216 95-106页 [查看摘要][在线阅读][下载 2253K]
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  • 大学物理实验课反溯教学方法研究

    谢子昂;张师平;陈森;裴艺丽;李莉;邱红梅;赵雪丹;王云良;吴平;

    为促进新形势下的“大学物理实验”课程体系改革,推动“高素质、创新型”人才培养朝新方向、高水平前进,北京科技大学“大学物理实验课反溯教学方法研究”课题组提出了物理实验课反溯教学方法,将现代科技的最新发展引入课程,对反溯教学方法进行了探索。课题组从实验现象出发,引导学生反溯基本物理学概念、原理和现象,并相应组织编排物理实验内容,激发学生的探索欲和创造欲,全面提升学生的学习兴趣和学习能力。课题组从实验室建设、新教材建设、新实验编排、本科生科技创新、实验课程与最新科研项目结合等多个角度出发,对“大学物理实验”课程体系进行了全面深化,促进学生变“要我学”为“我要学”,并取得了一系列教学成果。

    2023年04期 v.33;No.216 107-120页 [查看摘要][在线阅读][下载 4275K]
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  • “沉浸式”大学物理课程思政教学模式探索与实践

    王真;侯兆阳;柯三民;王凤龙;徐春龙;

    为了促进和加强“大学物理”课程思政建设,我校大学物理课程教学团队,通过从古代物理、科学史话、前沿科学、工程应用等方面深入挖掘“大学物理”课程中蕴含的思政元素,将物理知识和思政元素有机融合;建立包含各种文字、图片、动画和视频素材的课程思政电子化材料库,让思政效果入眼、入耳、入脑、入心,提升课程思政育人效果;并充分利用现代化信息和互联网技术平台,使学生在课内和课外全方位受思政教育浸润,实现“沉浸式”大学物理课程思政。该教学方法和模式具有一定可推广性,期望能够为大学物理课程思政建设起到一些参考作用。

    2023年04期 v.33;No.216 121-128页 [查看摘要][在线阅读][下载 1224K]
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  • 面向工程师人才培养的基础实验类课程建设探索与实践——以“物理实验(光学)”课程为例

    王峥;安炜;王文文;徐平;

    基础实验类课程在工程师人才培养过程中担负着培养学生实践动手能力、系统思维能力和工程意识的重要作用。本文以“物理实验(光学)”课程为例,从课程目标与定位、内容设计、授课模式、考评方式等方面,详细阐述了改革创新举措。课程的改革创新使理科基础实验课程为工程技术类专业课程的学习提供有效支撑,为卓越工程师人才的创新能力培养提供有力保障。

    2023年04期 v.33;No.216 129-132页 [查看摘要][在线阅读][下载 956K]
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  • 平均速度近似为瞬时速度造成系统误差的多方法研究——以倾斜气垫导轨法测量重力加速度实验设计为例

    宋艳敏;王吉昌;王一凡;于永江;马晓光;

    匀变速直线运动加速度计算公式应用中,最基本的物理观念是几个物理量之间存在着“一一对应”关系。在倾斜气垫导轨法测量重力加速度实验中,滑块运动的瞬时速度无法准确测量,只能用平均速度代替,造成了公式应用中要求的物理量之间的“一一对应”关系被破坏,产生了无法克服的系统误差。本文设计了匀加速和匀减速直线运动两种实验情境,分别用控制变量法、数学解析法和图像法等多种方法研究了不同实验情境的系统误差,将系统误差分析与物理观念构建建立了联系,分析了挡光片宽度d、加速情境滑块静止释放时离第一个光电门的距离L、减速情境滑块静止时离第二个光电门距离M、两光电门间距S和气垫导轨倾角θ等参量对该系统误差的影响,研究表明:d、S、L或W参量对该系统误差都有影响;d值的大小是造成该系统误差的主要因素;θ参量无影响;应用公式(1)计算重力加速度值更精确。

    2023年04期 v.33;No.216 133-140页 [查看摘要][在线阅读][下载 1411K]
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