物理与工程

编者按

解决深层次问题——探索世界一流大师成长之道

AI对教育根本逻辑的重构（第一篇）——知识传授功能的颠覆性变革

追逐原子核反应最初的那束光

量子安全直接通信

物理第一性AI：从物理通向智能

以人工智能窥探粒子的奥秘

从杨李相变理论看量子多体问题中的置换对称性

量子多体系统的置换对称性不仅是其基本属性,也是量子力学的基本公设之一。基于这一对称性,系统可衍生出电子壳层结构及超流超固等新奇物态,也相应带来费米子符号问题等理论挑战。我们课题组近期基于杨-李相变理论对费米子符号问题开展了一系列研究,认识到置换对称性在当前量子多体理论方法中尚未被充分运用。事实上,这与上世纪20年代末“群灾”(Gruppenpest)的历史有关:置换群引入的繁琐计算使物理学家却步,直到1929年,斯莱特用行列式“帮物理学家消灭了群灾”,但代价是显式处理置换对称性的研究从此相对缺失。伴随着近年来来Borrmann等(1993)、Hirshberg等(2019)、熊羽诺和熊宏伟(2022)等工作的初期探索,人们重新开始基于置换群,并结合路径积分方法研究量子多体问题,尝试解决费米子符号问题。我们受此启发,将杨-李相变理论引入费米子符号问题及更广泛的量子多体问题研究中(何染尘等,2026)。借此纪念杨振宁先生的专栏,我们总结课题组这方面的相关工作,期望为未来量子多体问题研究提供新思路,并从中国科研工作者的视角,深切缅怀杨先生的学术贡献。

从孤立到耦合化解带电平面场强认知冲突的教学重构研究——对无限大带电平面与电容器极板附近场强的比较研究

“无限大带电平面”与“平板电容器”是《电磁学》静电场部分的两个核心理想模型,然而学生普遍对两者附近场强公式σ/(2ε₀)与σ/ε₀存在混淆与认知冲突。本文深入剖析了这一认知障碍的根源,指出其源于对“孤立系统”与“耦合系统”电场叠加机制的混淆、对高斯定理应用场景的僵化理解以及对物理图像构建的缺失。基于此,本文提出一套以“模型溯源-原理剖析-图像建构-方法对比”为主线的四步教学改革方案,旨在通过强调电场叠加原理的核心地位、对比不同高斯面选取的物理意义,引导学生自主建构清晰的场分布物理图像,从而从根本上化解认知冲突,提升对静电场核心思想的理解深度和迁移应用能力。

蒙特卡罗方法及应用

介绍蒙特卡罗方法的基本原理及其在计算物理中的应用 .

SPOC:结合高校教学的融合创新

从2008年开始,MOOCs经历了一个四年沉淀,两年爆发的发展历程.与以往的网络教育相比,名校名师效应、易学易用性的优势作用于教育资源绝对稀缺、网络环境大幅改善的环境,迅速点燃了人们强烈的学习动机,形成爆发式增长.在基于教学需求的探索过程当中,与传统教育方式的"融合创新"开始兴起,其中有一种非常值得关注的模式就是由Armando Fox教授提出的SPOC模式,哈佛、MIT、加州伯克利都在进行SPOC教学试验.在中国,清华大学出版社率先打造出SPOC平台,推出《大学物理》等课程,配套了完整的教学资源,开启了SPOC模式在中国的应用.

加加速度(加速度的时间变化率)——冲击、乘座舒适性、缓和曲线

介绍加加速度 (加速度的时间变化率 )及其在冲击、乘座舒适性和缓和曲线等问题中的应用

非物理类理工学科大学物理课程教学基本要求

物理基础课程教学基本要求(含理论教学和实验教学部分)即将由教育部发布.本刊自本期起特设“物理基础课程教学基本要求专栏”,陆续刊登基本要求全文以及有关文章.

同伴教学法在大学物理课程中的应用

按照Eric Mazur著的《同伴教学法——大学物理教学指南》中介绍的同伴教学法的教育理念、使用原则和步骤,我们在大学物理课程中使用同伴教学法,实现了大班课堂上学生的合作学习.发现这个教学方法在物理概念教学、激发学生学习兴趣、培养创造性的思维、高水平的推理和批评性思维能力等方面的积极作用.教学中我们使用了书中部分概念测试题,分析了它在检测学生物理错误概念、激发学生小组讨论方面的有效性.

蒙特卡罗方法及应用

介绍蒙特卡罗方法的基本原理及其在计算物理中的应用 .

关于太空电梯的可行性分析

本文讨论了太空电梯设想的可行性。首先列出了环绕地球做稳定圆周运动卫星以及地球同步卫星的速度、轨道半径和机械能等基本运动公式，作为后续分析的基础。描述了现有星载卫星姿态和位置的调整机构。介绍了太空天梯的设想并计算了地球同步卫星与太空电梯组合系统在维持轨道位置时耗费的燃料。进而引出了配重卫星的必要性、工作原理、轨道半径和运行规则。最后指出太空电梯的设想所面临的两个难题。其一，卫星状态维持所需耗费的化学燃料量可能超出节能预期，其二，在随机的大气和宇宙环境扰动下，上述组合系统可能难以通过有效自动控制，实现在地球同步轨道上的稳定停留。

拓扑绝缘体简介

拓扑绝缘体是最近几年发现的一种全新的物质形态,由于其独特的能带结构,具有零质量的狄拉克费米子及其相关的奇妙物理特性,近些年来引起了人们的广泛关注.同时,它还展现出在自旋电子学和量子计算等领域巨大的应用前景.

球类运动中空气阻力的计算和分析

本文利用Asai等人的工作计算了光滑表面球体 ,速度介于 0～ 3 0m/s之间的空气阻力 ,发现两种或三种不同运动速度都有相同的空气阻力值的现象 ,本文对此做了理论上的解释 .本文并从空气阻力公式的由来、计算空气阻力的意义以及球类运动的若干运动现象 (比如“香蕉球”技术等 )等做了必要的阐述 .所有这一切都对球类运动更具体的研究有一定的意义 .

杨氏弹性模量测量实验综述

杨氏弹性模量(简称杨氏模量)是固体材料的固有属性之一,也是工程技术设计领域常用的参数之一。从实验教学角度而言,杨氏模量测量实验是国内大多数高校大学物理实验课程所开设的必选实验之一,也是全国高等学校物理基础课程青年教师讲课比赛实验题目规范表中的题目之一。本文系统地综述了目前关于杨氏模量测量实验的4大类测量原理,包括静态拉伸法、动态共振法、梁弯曲法,以及超声波测量法等。进一步针对每一大类测量原理,本文还对已报道的各种实验测量方法及其测量精度进行了总结,同时评论了各种方法的优缺点。希望本文的综述结果能对我国高校开展杨氏模量测量实验的教学工作提供参考,同时也为计划参加讲课培训展示的青年教师提供借鉴作用。