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

科学与艺术的镜像——从达·芬奇水晶球到李政道“物之道”

2026年是李政道先生百年诞辰。李政道先生毕生倡导“科学与艺术是一枚硬币的两面”,并亲自构思了矗立于中国科学院高能物理研究所门口的“物之道”雕塑。本文以李政道先生的科艺融合理念为线索,以达·芬奇画作《救世主》为案例,采用几何比对与文献考证相结合的方法,对水晶球的光学效果、三个白色光斑的几何构型以及X形花边的投影关系进行分析,探讨科学与艺术在探索宇宙秩序中的共同根源。研究发现:水晶球的光学效果与空心球体一致(美国加州大学尔湾分校2020年研究确认半径约6.8厘米、壁厚约1.3毫米);水晶球上三个白色光斑构成的偏三角形,与普朗克卫星宇宙微波背景辐射全天温度图中三个极端温度峰值构成的偏三角形呈现镜像对称;X形花边经球体投影为十字的光学设计,与达·芬奇手稿中的光学实验记录高度吻合。本文不主张达·芬奇预知现代宇宙学,但指出这一跨越五百年的几何“暗合”,为理解科学与艺术的共性提供了一个独特的视觉案例。文章结合玻尔族徽中的太极图、欧洲核子研究组织(CERN)的湿婆雕像等跨文化案例,探讨了科学与艺术在人类探索宇宙秩序过程中的共同根源,以此向李政道先生的科艺融合理念致敬。

秋水文章不染尘——杨振宁先生的物理与数学之美

本文以“秋水文章不染尘”为引,沿“狄拉克磁单极子—吴-杨单极子与杨单极子—规范场的纤维丛语言—瞬子及其现代回响”这条线索,梳理了杨振宁先生经典工作中思想之深邃、数学之优美与影响之深远。本文首先回顾狄拉克磁单极子对电荷量子化的解释与不可积相位思想,阐述杨-米尔斯理论“规范场即纤维丛上的联络”这一深刻对应,以及“吴-杨字典”、吴-杨单极子与杨单极子的构造。其次,分析瞬子作为刻画真空拓扑的经典解的物理意义,以及其催生的ADHM构造、Donaldson不变量与SeibergWitten理论等数学进展。最后,结合磁单极子实验搜寻、拓扑序与几何相位等当代回响,指出这些经典解所发展的方法与思想已成为现代理论物理的基本工具,印证了杨先生与狄拉克一脉相承的信念——最基本的理论里藏着最美的结构。

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。