2025年 06期
从单粒子到多体系统:精确对角化在计算物理教学中的实践
邬汉青;姚道新;精确对角化是求解量子力学问题最直观的数值方法,广泛应用于少体与多体系统,是计算物理课程的核心内容之一。本文基于“由浅入深”的教学理念,系统介绍了如何在本科计算物理课程中讲授精确对角化方法:从单粒子系统出发,逐步拓展至多体量子系统。通过一系列精心设计的教学示例,学生不仅掌握了基矢选取、对称性使用、矩阵构建与对角化等关键步骤,也深入理解了该方法的优势与局限。这一教学过程有效衔接了量子力学形式体系与前沿多体数值方法,为学生后续学习密度矩阵重整化群、张量网络等高级多体计算方法奠定了坚实基础。
一般激光光束参量的变换理论
陈培锋;钱壮林;吕暄;高斯光束经过薄透镜后的变换是激光原理课程的重要内容,该内容有助于加强学生对激光光学系统设计的理解,但是由于课程缺少一般激光光束通过线性光学系统的变换过程,学生在拓展发散的学习过程中会产生疑问。本文推导了二阶矩定义下的一般激光束的腰斑直径、腰斑位置和远场发散角,通过一个由光线矩阵表示的线性光学系统后的变化规律。此外,本文采用q参数的方法进行光束参数变换的证明,证实了两种推导方法的一致性,有助于加强学生对激光光束的理解。可以预见,一般激光光束参量的变换理论可以应用于透镜组光束变换系统设计之中。
偏振光渲染器设计探究案例与物理光学教学实践
张尚剑;付尔谷;郑皓文;吴胤锋;徐映;朱峻峰;张雅丽;顾晨;物理光学课程致力于通过教学主体转换,推进以学为中心的教学模式。本文设计并实现了基于路径追踪和光线追踪算法的基础线偏振光学场景渲染器,对场景中的偏振光传播和交互进行高精度模拟,生成动态可视化的偏振光场效果。研究以实验与渲染“虚实结合”的方式,验证了渲染器对于偏振光菲涅耳反射在不同入射角下的仿真准确性,有效提升学生对偏振光学理论的理解和应用能力。该研究为物理光学和光学原理课程的教学实验提供了具备量化验证功能的新工具及可视化支持。
基于梁弯曲问题的弹性力学教学实践研究
岳盈;赵霞;赵伟;韦先涛;王中平;张增明;弹性力学是物理学与工程领域之间的重要接口,蕴含丰富的数学工具与物理概念,对学生夯实理论基础与提升实践能力具有重要意义。本文围绕梁的弯曲问题,从弹性力学基本方程的角度阐述了铁木辛柯梁理论的构建思路,并结合格林函数法与拉普拉斯变换求解了挠度方程。以干意大利面与3D打印支架构建的外伸梁为教学模型,通过计算挠度曲线并模拟应变场,与实验测量结果对比,验证了理论模型与数值方法的有效性。本研究将理论模型、数值计算、仿真模拟与实验测量深度融合,可为高校物理与工程类课程的实验教学提供一个启发性的教学案例。
关于《物理光学》教材中电磁波波函数时间项正负号概念的澄清及物理意义的讨论
袁茂辉;黄黔豫;张轩浩;姜曼;韩凯;在电磁波或光学类教材中,电磁场的波函数的时间因子通常写成负号。而在《大学物理》教材中关于波动与振动教学内容,由振动方程推导出波动方程时,其时间项通常表示为正号。笔者在教学过程中,常有学生提出此类疑问,因此有必要对时间项的正负号概念及物理意义进行讨论,从而更好地帮助学生理解其物理图像。本文从电场和磁场波动方程出发,给出其通解的物理意义和波动的相关概念,详细讨论了电磁波波函数中时间项正负号的物理内涵,在此基础上分析了在处理电磁波或者光学类问题时将波函数的时间因子表达为负号的现实考虑,澄清和解释了电磁波波函数通常表示为负号的疑问。
以黑体辐射与天线噪声温度为例的大学物理与专业课程衔接研究
李智强;张介秋;王伟宇;李磊;闫明宝;范琦;本文研究探讨了大学物理课程与无线电通信相关专业课程之间的衔接问题。首先,梳理了热噪声研究的历史脉络,明确了噪声温度概念的起源,并给出了噪声温度的一般性定义。其次,以天线作为电磁波换能器为切入点,结合黑体辐射理论与基尔霍夫热辐射定律,推导了天线热噪声功率谱密度的定量表达式。在揭示天线热噪声物理机制的基础上,阐述了天线噪声温度概念的构建逻辑与物理内涵。教学实践表明,将上述思路融入教学,加深了学生对相关物理知识的理解。本研究旨在深化学生对大学物理课程中黑体辐射理论的理解,同时为无线电通信专业课程的教学提供参考,通过将基础物理理论延伸至无线电通信领域,体现了基础物理课程在课程体系中的桥梁作用,有助于培养学生的跨学科综合素养与创新性思维能力。
马赫-曾德尔干涉仪及其在折射率测量中的教学应用
满天龙;周宏强;万玉红;马赫-曾德尔(Mach-Zehnder)干涉仪是常用的光学系统,在光学干涉测量及干涉成像领域具有重要应用。面向具备实践创新能力的新工科专业人才培养要求,本文设计了基于马赫-曾德尔干涉仪的空气折射率测量实验。除向学生讲授基本的光学原理和概念外,还对其中涉及的数据处理和分析方法进行了介绍和讨论。本文旨在培养应用物理、光学、光电信息等专业本科生从光学系统构建、数据采集到数据分析完整过程的综合能力。通过引发学生对光学测量方法的核心原理、可实现的测量精度及其影响因素等内在问题进行深入思考的方式,进一步培养和开拓学生的创新能力。
磁感线的取样方法和绘制——以圆电流磁场磁感线的可视化为例
宋立涛;何杰;王杰芳;磁感线在许多磁场相关问题的分析中发挥着重要作用,以往文献关于磁感线可视化方法的讨论主要集中在“如何使磁感线上每一点的切线方向与该点的磁感应强度的方向一致”,而忽略了“如何使磁感线疏密程度反映磁场强弱”这一物理要求。本文基于Python编程语言,以圆电流磁场磁感线的可视化方法为例,具体介绍了如何使绘制出的磁感线满足“疏密程度反映磁场强弱”这一物理要求的取样方法和实现过程.该方法原理简单,通用性强。
转动惯量张量教学内容创新实践
郑华;张文超;王新刚;朱励霖;刘星泉;张量是理论物理中非常重要的一个概念。转动惯量张量是本科课程中学生第一次接触张量这个概念。本文尝试通过对转动惯量张量教学内容的创新,对刚体转动惯量张量的教学内容进行重新编排,先计算刚体定点转动角动量,再引入矩阵形式,最后引进转动惯量张量、并矢的概念及其计算规则。让学生理解张量的引入是自然而然的,只是对问题描述数学形式的一种,但能带来方便。以此为切入点,为学生后续学习包含张量的理论打下坚实的基础,同时培养学生的创新思维。
巧用碰撞恢复系数兼谈命题的合理性
肖新瑜;刘协权;倪新华;李牧;利用碰撞恢复系数求解碰撞问题,相比习惯性的用能量守恒定律的求解过程,用碰撞恢复系数处理碰撞问题更具优势:线性方程结果唯一,计算更便捷,适用范围更广,弥补了能量守恒仅能求解完全弹性碰撞问题的局限;能解决质点与质点、质点与刚体、刚体与刚体之间的正碰撞和斜碰撞等各种碰撞问题;同时利用碰撞恢复系数还可以快速判断碰撞问题的命题合理性,对不合理命题进行修正。希望借助碰撞恢复系数,加深学生对碰撞过程的理解,对教师自主命题的合理性也起借鉴作用。