物理与工程

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教学研究

  • 热力学平衡态的含义

    赵柳;

    热力学平衡态是热力学和统计物理中的基础概念。现存文献中对热力学平衡态的定义方式不尽一致。本文旨在对现存的各种定义进行分类和梳理,分析它们之间的异同、适用范围,并建议提出了一种适用于描写热力学系统观演化过程的平衡态定义。

    2023年05期 v.33;No.217 3-8页 [查看摘要][在线阅读][下载 1018K]
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  • 练好内功 教好物理——2023年全国高等学校物理基础课程青年教师讲课比赛华东地区赛感想

    蒋最敏;

    作为评委作者参加了2023年全国高等学校物理基础课程青年教师讲课比赛华东地区赛活动。本文对这次比赛活动中教师的表现和比赛过程,包括提问环节作些评论,鼓励青年教师热爱教学、练好内功和教好物理。

    2023年05期 v.33;No.217 9-10页 [查看摘要][在线阅读][下载 931K]
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  • 多层复合回音壁微腔热振荡效应的理论研究

    程肯;王铁军;

    多层复合材料微腔能够观察到单一材料无法实现的独特现象。本文在理论上分析了由丝状蛋白和聚二甲基硅烷(PDMS)涂覆的二氧化硅微球腔热振荡效应,并观察到该复合回音壁微腔独特的振荡波形。该波形由两个不同速度的振荡周期组成,在慢速的振荡周期中包含着若干快速的振荡周期,并且快速的振荡只出现在丝状蛋白和二氧化硅的温度上升区间。我们基于耦合模理论构建的热动力学方程解释了这一现象。这种双频振荡同时出现的现象在传感器领域有着潜在应用价值。

    2023年05期 v.33;No.217 11-16页 [查看摘要][在线阅读][下载 1832K]
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  • 热力学第二定律课堂教学设计与实践

    张亮;季振宇;

    本文以公共基础课程“大学物理”中热力学第二定律为例,开展了以学生为主体的启发式教学设计与实践。通过对知识点进行梳理,构建新的知识逻辑框架:以自然过程的方向性问题为主线,从宏观与微观两个角度串联热力学第二定律及其数学表征,让学生理解并掌握热力学第二定律和熵的物理内涵,并建立二者之间的逻辑联系。同时融合当前热点话题,组织思政要素,从知识到思想逐层推进,开展了科学知识与人文素养、理论学习与实践认知相融合的闭环教学,实现了知识传授与课程育人的教学目标,为大学物理课程教学与课程思政设计与实践提供更多思路和参考。

    2023年05期 v.33;No.217 17-22页 [查看摘要][在线阅读][下载 1622K]
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  • 大学物理中军事案例教学的设计与探索——以枪炮后坐力为例

    李春燕;余同普;彭小洹;

    将军事案例融入课堂教学是军事院校实现“为战育人”人才培养目标的重要方法和手段。本文围绕枪炮后坐力这一具体问题,从题目设计、背景介绍和实际问题解决等多个角度进行分析讨论,探索将普通物理问题转化为贴近军事应用的实际案例的一般方法和途径。从军事元素、实际条件、军事问题、军事需求等方面设计引入军事案例,既可以提高学生学习兴趣,培养专业素养和创新能力,同时,也为大学物理教学中军事案例库建设提供可操作性指导。

    2023年05期 v.33;No.217 23-27页 [查看摘要][在线阅读][下载 1053K]
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  • 物理专业“强基计划”学生高质量培养模式的探索与实践

    杨中芹;石磊;朱晓妍;龚新高;

    教育部在2020年面向部分高校发起“强基计划”,旨在选拔和培育有志于服务国家重大战略需求且综合素质高的基础学科拔尖人才。物理学是自然科学的基石,对国民经济的发展起着举足轻重的作用。高效培养物理专业“强基计划”学生是关系国家未来发展的重要任务。本文从改革课堂授课模式、搭建“立体化”课程体系、实行小班管理及双导师制等方面介绍复旦大学物理专业“强基计划”学生高质量培养模式的探索、实践及取得的初步成效。特别介绍了由学科带头人(院士)作班主任举办的“大师讲坛”等系列班级特色活动对人才培养的大力推动作用。期望凝练成的“研讨式、立体化、实践化、时代化”的培养模式能极大促进我国“强基计划”学生的培养。

    2023年05期 v.33;No.217 28-35页 [查看摘要][在线阅读][下载 1307K]
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  • 大学物理学科竞赛的课程化探索

    冯娟娟;郭党委;王心华;

    为提高本科生的自主创新性,促进拔尖人才创新实践能力的培养,激发本科生做科研的兴趣,本文从目前学科竞赛和实验教学中存在的问题出发,调研和分析了目前国内双一流高校物理类学科竞赛与本科生实验教学结合的教学经验,并结合兰州大学物理与科学技术学院相关实践课程、物理学科竞赛的开展情况及问卷结果,提出了“学科竞赛课程化”的教学方案。从教学目标、教学模式、教学内容、考核方式、学分政策、师资及教学条件等方面作总结阐述。以物理学科竞赛为引导,以真实的赛题为研究对象,该教学方案的实施将有利于本科生科研能力的培养,同时也将促进物理学科竞赛成绩的提高。

    2023年05期 v.33;No.217 36-40页 [查看摘要][在线阅读][下载 1228K]
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物理实验

  • 基于LED的光量子理论测量普朗克常量

    陈霞;孙太宇;何宇飞;林凡宸;梁晓森;冯列峰;

    普朗克常量在物理学中具有非常重要的意义,可根据LED的光量子理论,对普朗克常量进行测量。LED是一种常见的半导体器件,其电学特性和光学特性容易受到温度的影响。本文利用自制的可调恒温器对LED进行控温,测量了不同温度下LED的阈值电压和峰值波长。实验表明,随着LED温度的升高,其阈值电压降低,同时峰值波长红移。基于光量子理论,进一步对LED的阈值电压和峰值波长进行数据处理,将阈值电压和频率做直线拟合,从拟合直线的斜率得到普朗克常量。

    2023年05期 v.33;No.217 41-45页 [查看摘要][在线阅读][下载 1241K]
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  • 基于林德斯泰特-庞加莱法的双节拍器耦合系统同步规律研究

    谭景芳;王成会;莫润阳;

    本文在双节拍器耦合系统动力学方程的基础上,利用Runge-Kutta(龙格-库塔)法对振动系统进行数值分析,通过摆杆摆角随时间演化的曲线图像,讨论影响系统同步性质的因素。利用L-P(林德斯泰特-庞加莱)法研究相同双节拍器耦合系统的系统参数对于摆杆摆动振幅和摆动频率的影响,得到无耦合双节拍器系统的近似解,结合数值分析比较系统参数对同步周期和振幅的影响;在理论分析得到的近似同步周期中设定同步系数q值,并通过拟合函数进行拟合,拟合后得到的同步周期与数值分析的周期基本一致。本文能为更好地理解耦合系统的同步性质提供参考,也能为学生进行双节拍器同步物理实验提供一些理论参考,增强学生理论联系实际的能力。

    2023年05期 v.33;No.217 46-52页 [查看摘要][在线阅读][下载 1129K]
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  • 可视化劈尖干涉法测金属丝杨氏模量

    奉勇辉;宋蕊;李泽昕;张安鑫;李延标;白忠;

    本文利用劈尖干涉法测量微小长度量,对杨氏模量测定仪进行改进,借助CCD视像系统增加仪器操作和读数的稳定性、精确性。本文的测量方法设计合理,减小了塑性形变和形变的迟滞特性带来的影响。通过计算结果的误差分析可知,本文的实验设计能精确地计算出金属丝的杨氏模量。该实验原理清晰,装置简单易懂,操作方便,能满足对材料杨氏模量研究,同时为微小长度量的测量提供了新的思路。本次实验设计也是对课堂教学的巩固与拓展,在实验教学案例中具有很好的推广价值。

    2023年05期 v.33;No.217 53-58页 [查看摘要][在线阅读][下载 1119K]
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物理与工程

  • 用变分量子本征求解器研究量子拉比模型的基态问题

    郝明星;高一波;

    在用变分法求解量子系统基态问题的研究中,采用变分量子算法求解基态的研究受到广泛的关注,作为一种量子与经典混合算法的变分量子求解器在其中发挥了重要作用。本文在开源的量子计算模拟器上运行变分量子本征求解器对量子拉比模型在超强耦合区的基态进行了讨论。在3量子比特空间中,我们采用标准二进制编码方式将量子拉比模型中的算符和量子态进行编码,并且在哈密顿量变分拟设构造的量子电路上计算得到哈密顿量最小平均值(基态能量)。最后,通过将变分量子本征求解器的计算结果与经典数值模拟方法得到的精确值进行对比,我们讨论了变分量子本征求解器的计算精度与量子电路的消耗资源(量子比特数目)以及耦合强度之间的依赖关系。

    2023年05期 v.33;No.217 59-66页 [查看摘要][在线阅读][下载 1168K]
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  • 费米气体通过量子点接触的输运行为简介

    单春园;代晓宇;刘波扬;

    输运测量是研究物质状态基本性质的重要工具。其中通过量子点接触(Quantum Point Contact)的输运是介观物理学中一个非常有趣的现象。在无相互作用或弱相互作用费米系统中,电导随门电压的变化呈现出量子化的阶梯状,这一现象揭示了物质的量子特性。近年来,冷原子体系中输运的研究已成为该领域的前沿研究之一冷原子体系具有高度可操控性的特点,也存在许多新奇物态,因此可以在冷原子的输运实验中观测到许多材料物理中无法观测到的新的实验现象。本文将以综述的形式介绍冷原子费米气体通过量子点接触的输运行为的一些前沿实验进展,此外,我们也将介绍处理该体系常用的非平衡场论方法。

    2023年05期 v.33;No.217 67-74页 [查看摘要][在线阅读][下载 1114K]
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  • 分子动力学探究内耗讲授方法

    王兵;乔吉超;

    固体内耗是固体材料在振动中所引起的能量损耗,与其阻尼性能密切相关,在微观上是原子弛豫及原子结构演化的反映,能够加深对固体材料缺陷弛豫动力学的理解。分子动力学是研究固体材料的重要方法,可在微观上直观观测结构及动力学演化,具有目前实验不可企及的优势。本文从理论推导固体内耗参数,并应用分子动力学方法给予表征,结合上机实验加深同学们对固体内耗的理解,进一步概述固体内耗研究前沿,这对于固体力学粘弹性教学具有重要启发价值。本文结合固体内耗理论知识及作者多年的内耗研究成果,从教学方法改革、教学内涵及教学过程设计等多方面探讨该课程教学,讲授了固体内耗本质及分子动力学在内耗方向的应用,深化了固体内耗教学效果。

    2023年05期 v.33;No.217 75-80+113页 [查看摘要][在线阅读][下载 1238K]
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  • 基于虚拟仿真的“现代工程光学”教学内容的探索

    孔梅梅;

    为培养光电领域的专业学位硕士研究生能够掌握扎实的专业基本理论,并具有一定的工程实践能力以及有关光电系统的设计能力,笔者基于理论与实践相结合的理念,在“现代工程光学”课程的教学内容设计方面作了一定的探索。在本课程中通过引入虚拟软件Zemax的仿真,结合当代科技发展的最新动态分析,可以在理论教学中更直观形象地使学生掌握好相关的基础知识,在上机实践教学中更直接地锻炼学生的设计能力和综合素质,对培养研究生满足新时代科技发展的人才要求具有一定的教学参考价值。

    2023年05期 v.33;No.217 81-86+118页 [查看摘要][在线阅读][下载 1423K]
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  • 准稳态下常功率平面热源法测不良热导体热导率及COMSOL模拟

    方奕忠;沈韩;崔新图;黄臻成;冯饶慧;廖德驹;庞晓宁;

    准稳态法是测量不良热导体热导率的一种常用方法,样品材质、保温层、加热功率等都会对测量结果造成影响。本文采用分离变量法,以有机玻璃为例,求解了厚度均匀的无限大不良热导体两侧同时施加均匀的指向中心面的热流密度时的热传导方程,得到样品各处的温度随时间变化的严格解。在初始加热时间不到十分钟的状态下采用截断近似,并在准稳态下用常功率平面热源加热法测量了不良热导体的热导率k及比热c。在此基础上,采用四块有机玻璃板和两个加热薄膜外包泡沫和聚丙烯(PP)阻热材料的模型,作了COMSOL多物理场耦合仿真,得到的理论、实验及仿真结果三者符合得很好。

    2023年05期 v.33;No.217 87-94页 [查看摘要][在线阅读][下载 1713K]
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  • 非线性动力学在磁约束核聚变约束模式转换中的应用

    艾媛媛;朱浩;

    非线性动力学在诸如双摆和振荡电路等本科物理教学中扮演着积极的角色。雅可比矩阵作为非线性动力学中的重要概念,常被用来分析不动点的性质。本文中我们先推导了一个二维系统中雅可比矩阵的具体形式,并将其应用到磁约束核聚变约束模式转换模型,最后延伸求解出ZCD模型中各不动点的雅可比矩阵本征值。我们随后调整了模型中的外界加热功率,并使用雅可比矩阵观察模型中非线性动力学性质的变化。经研究发现,外界加热功率的改变会使得ZCD模型极限环的大小发生变化,即功率越大极限环半径越大。极限环半径的扩大导致环与鞍点相交为一个同宿轨,诱使系统产生同宿分岔。

    2023年05期 v.33;No.217 95-101+107页 [查看摘要][在线阅读][下载 1449K]
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  • 与机械工程相结合的大学物理教学设计

    徐洁如;徐迅;

    大学物理作为理工科专业的一门基础课,如何与专业课深入结合,满足专业建设需求,是大学物理教学改革的重要内容。本文以机械工程专业为例,将大学物理理论与实际工程相结合,在教学中融入工程实例,设计了凸轮机构从动件运动规律分析、伺服电机减速机齿轮传动、离心式水泵能量转换分析、热泵系统利用废热采暖、电容电感式传感器等教学实例。用工程实例讲述物理理论,实现以专业为导向的大学物理教学。

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大中衔接

  • 进动现象的直观解释

    熊志松;程运华;

    进动是刚体力学中的一项重要内容,但由于涉及复杂的定点转动问题,其数学推导过程比较繁琐,大部分教材的相关内容晦涩难懂,再加上进动现象本身的反直觉的特点,使得很多人对进动现象的规律并未真正理解。本文首先从质点的惯性入手,通过与简单的质点力学问题类比,直观地解释进动。接着,我们深入探讨回转力矩的本质,只借助简单的受力分析和计算,就推得了进动的结果,我们的方法避免了复杂的刚体力学理论计算,为理解进动提供了一种新思路。

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  • 光滑圆筒中的四球问题——对39届中学生物理竞赛复赛(延考)第四题的思考

    吴洵;姜付锦;何彬;黄亦斌;

    针对第39届全国中学生物理竞赛复赛(延考)第四题,先对四球系统进行受力分析,根据动力学和运动学得到9个(非线性微分)方程,得到两个第一积分(守恒量)。再通过数值模拟给出解答,发现当初始角速度不大时,原参考解答是很好的近似。最后还进一步研究了近似解,得到泰勒展开中精确到t~5的结果。整个分析过程为处理力学问题提供了一个参考案例。

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