大学物理

宇宙学研究的盛宴已过?———评述2019 年诺贝尔物理学奖

张同杰, 魏　星

2020, 39(02): 1-4. doi:10.16854 / j.cnki.1000-0712.190589

摘要 ( 1002 )

PDF (733KB) ( 556 )

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2019 年诺贝尔物理学奖授予美国普林斯顿大学James Peebles (詹姆斯·皮伯斯)教授和瑞士日内瓦大学的Michel

Mayor (米歇尔·梅耶)教授和瑞士日内瓦大学教授兼英国剑桥大学教授Didier Queloz (迪迪埃·奎洛兹)以表彰他们的研究

对于我们理解宇宙的演化和地球在宇宙中的位置做出了巨大贡献.基于此本文评述了诺贝尔物理学奖授予他们分别在宇宙学

和系外行星方面的重要贡献，今年诺奖颁发的新特点.

海森伯矩阵力学

黄永义, 邵国运, 张淳民

2020, 39(02): 5-9. doi:10.16854 / j.cnki.1000-0712.190178

摘要 ( 1673 )

PDF (220KB) ( 618 )

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重述了矩阵力学的理论框架，包括位置动量不对易关系，算符的海森伯运动方程，非简并微扰论，给出了一维谐振子的矩阵力学求解过程.

Brans-Dicke 引力理论的弱场近似

郑付友, 阳劲松

2020, 39(02): 10-14. doi:10.16854 / j.cnki.1000-0712.190355

摘要 ( 1388 )

PDF (197KB) ( 482 )

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Brans-Dicke 引力理论是重要的修正引力理论之一，其对于研究星体运动、宇宙演化以及解释宇宙现象等起着重要

的作用.寻找Brans-Dicke 引力理论场方程的解对于Brans-Dicke 引力理论的研究和发展具有重要意义.但由于Brans-Dicke 引

力理论场方程本身的高度非线性性，使得一般情况下精确求解非常困难，特殊情况下也只能求得部分精确解.幸运的是大多数

情况下引力场比较弱，且在低速的条件下求场方程的近似解相对容易.本文基于弱场低速条件，详细地求解了Brans-Dicke 引

力理论的弱场低速近似解.首先基于弱场条件，将标量场和度规写为一阶微扰展开的形式;然后将标量场和度规代入相应的场

方程得到相应的线性场方程，通过选取特定的规范条件进一步简化线性场方程;最后求解出简化的线性场方程的低速近似解.

本文的求解方法可以为Brans-Dicke 引力理论的教学和研究提供有益的参考.

关于静电屏蔽上限的讨论

岑显焯, 邓维天

2020, 39(02): 15-17. doi:10.16854 / j.cnki.1000-0712.190077

摘要 ( 2243 )

PDF (337KB) ( 599 )

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将导体壳放入外电场中，导体会在表面产生感应电荷，并达到静电平衡状态，导体壳腔内的电场处处为零，这就是

静电屏蔽效应.然而，如果外电场极强，或者导体内部的自由电荷太少，以至于感应电场不能完全抵消外电场，则静电屏蔽效应

将失效，这就是静电屏蔽的上限问题.本文从静电屏蔽的原理出发，将导体壳简化为一对平行金属平板的模型，定量的讨论了

这一问题.通过计算我们发现，由于金属内存在大量的自由电子，在非极端问题中，宏观的导体装置都远远不会遇到静电屏蔽

的上限问题.

水平圆管内黏性流动的能量损耗

周　越, 张国锋

2020, 39(02): 18-20. doi:10.16854 / j.cnki.1000-0712.190192

摘要 ( 1136 )

PDF (224KB) ( 443 )

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本文分析了黏性流体在水平圆管道中做层流流动时，能量损耗和热量的来源与分布，纠正了对黏性流体伯努利方程中能量损耗项的一种错误认识.

任意n 阶多边形电阻网络的电特性研究

黄建兰, 谭志中

2020, 39(02): 21-25. doi:10.16854 / j.cnki.1000-0712.190062

摘要 ( 949 )

PDF (552KB) ( 474 )

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文章采用基尔霍夫定律通过建立差分方程模型的方法研究了一类任意n 阶多边形电阻网络的电学性质(节点电压，支路电流，等效电阻). 首先采用基尔霍夫节点电流定律建立差分方程模型，同时建立边界条件方程，以此研究差分方程组的通解和特解，进而获得各节点电压公式，并且基于电压结果导出支路电流公式及等效电阻公式. 本文的研究工作对于促进基础物理创新教学具有很好的理论意义与教学实践价值.

TracePro 在“光的偏振实验”中的应用

钟可君, 伏燕军, 朱泉水

2020, 39(02): 26-30. doi:10.16854 / j.cnki.1000-0712.190107

摘要 ( 2006 )

PDF (2238KB) ( 993 )

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为提高光的偏振实验教学效果和教学质量，在教学中引入专业的光学设计软件-¾TracePro，利用该软件仿真了光

的双折射过程和现象，以及偏振片的原理;建立光的偏振实验系统实体模型，完成光的偏振态判断实验;仿真光通过波片后的

偏振态转换现象;验证马吕斯定律，并仿真了多层介质膜对光的分离和旋光现象.结果表明该方法可以提高教学效率，激发学

生探索科学的主观能动性，仿真结论与理论推导和实际实验结果一致.

强度解调型光纤光栅温度传感实验

曾凡超, 郜洪云, 胡　琪, 黎　敏

2020, 39(02): 31-33. doi:10.16854 / j.cnki.1000-0712.190138

摘要 ( 985 )

PDF (304KB) ( 384 )

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光纤光栅在工程上应用广泛，但由于存在解调系统复杂、成本高，尤其是需要使用光纤光谱仪等波长解调仪器，使

得光纤光栅很难走入本科教学的实验课堂.本文提出了一种基于窄线宽DFB 激光器的强度解调方案，极大地简化了光纤光栅

传感器的解调系统，完全满足较高分辨率和实时检测的系统要求.合理安排的温度传感实验可以非常直观地展示光纤光栅的

线性传感性能，使得工程化的光纤光栅传感技术轻松走进本科教学课堂，具有极高的推广和应用潜力.

在课堂演示实验中引入光学异常透射现象

裴延波, 姚凤凤, 张　宇, 赵　远

2020, 39(02): 34-38. doi:10.16854 / j.cnki.1000-0712.190157

摘要 ( 1135 )

PDF (960KB) ( 530 )

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本文讨论了如何在大学物理单缝的夫琅禾费衍射课堂演示实验中引入当前光学领域研究前沿的一个重要物理现

象-亚波长金属缝异常光学透射现象. 基于数值模拟，比较了在夫琅禾费衍射实验条件下，纳米尺寸单缝的异常光学透射和微

米尺度单缝衍射的特点，讨论并指出纳米单缝的异常透射特征是纳米尺度光与物质强相互作用的反映，而这种强相互作用在

微米尺度单缝的夫琅禾费衍射中是不显著的. 最后对用于课堂演示的衍射实验装置的设计进行了讨论.

测量平板玻璃折射率实验中激光散斑削减方法的探究

王　菁, 杨燕丹, 李朝荣

2020, 39(02): 39-42. doi:10.16854 / j.cnki.1000-0712.180684

摘要 ( 903 )

PDF (1383KB) ( 283 )

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本文描述了以激光为光源测量平板玻璃折射率实验中成像场产生散斑的现象，并获得了一种简单有效的散斑削减

方法. 理论上激光经过漫散体后产生微光束干涉场，利用统计学的规律，总结出了散斑元之间对比度的影响因素. 实验中，选

取动-静毛玻璃对作为削减器件，利用静止漫散体增加入射光的粗糙程度，通过缓慢旋转的运动漫散体，可将散斑对比度降为

4%左右，使干涉条纹清晰可见.

基于DAMPE 的暗物质间接探测研究进展

郑　应, 王润娜, 李　新, 祝凤荣, 何　钰, 陈起辉

2020, 39(02): 43. doi:10.16854 / j.cnki.1000-0712.190118

摘要 ( 1087 )

PDF (319KB) ( 349 )

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20 世纪30 年代天文学观测对标准宇宙模型提出了严峻挑战，为了调和观测数据与理论模型的矛盾，理论物理学家

提出了暗物质理论;此后，实验物理学家据此摸索出了各种暗物质探测方案.本文将从暗物质概念的由来、暗物质基本性质、暗

物质探测原理及方法和DAMPE 在探测暗物质方面的最新进展几个方面展开介绍.重点以DAMPE 的数据为基础，以电子谱分

析为核心，在前人的研究基础上，对DAMPE 数据和结果进行多层次、多方位的综合，进一步阐述了DAMPE 电子谱中出现的

TeV 拐折和尖锐信号包含的深刻意义;最后依托研究过程中得到的一些信息，对未来暗物质探测实验提出一点看法和见解.

惠更斯对离心力公式的证明过程

沈贤勇

2020, 39(02): 47-50. doi:10.16854 /j.cnki.1000-0712.190213

摘要 ( 3160 )

PDF (922KB) ( 540 )

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惠更斯在1673 年发表的《Horologium Oscillatorium》附录中提出了离心力的概念和计算方法，但没有给出相关的证

明过程.在惠更斯去世之后的1703 年，惠更斯对离心力计算公式的证明过程才被后人整理发表出来.本文主要介绍惠更斯的

这个证明过程.

新高考改革对浙江学生物理学习态度的影响

戈迪, 张睿, 祁月盈, 王祖源

2020, 39(02): 51-55.

摘要 ( 946 )

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本文通过科罗拉多物理学习态度问卷调查，发现新高考改革对浙江省学生的物理学习态度造成了很大的影响，学考、选考两组学生在各个维度的物理学习态度上都存在着很大的差异性. 而“大学物理预修”课程的开展对改善这种差异性有一定的效果，并提高了学考学生的物理成绩，同时也加强了对学生物理思维的训练，在一定程度上抵消了新高考改革带来的影响.

希罗喷泉动力学分析

彭亮滔, 陈婷, 姚真瑜

2020, 39(02): 56-61. doi:10.16854 /j.cnki.1000-0712.190123

摘要 ( 1941 )

PDF (708KB) ( 946 )

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本文构建了一个希罗喷泉系统，利用修正后的非定常伯努利方程及连续性方程，在层流与非定常的基本假设下，解

出其动力学方程; 使用Mathematica 软件并结合实验参数进行数值求解，推导了喷射高度随时间的理论变化关系，并探讨了喷

射瓶的相对放置高度、横截面积、喷射管道直径以及喷口高度等参量对喷泉高度的影响.同时运用Tracker 软件追踪喷泉高度，

建立了空气弹簧的模型，完成了理论与实验的相互验证.

一种基于F-P 标准具的金属线膨胀系数测量方法

代丛岭, 荣振宇, 杨伊凡, 蒋伊麦, 韩玉晶

2020, 39(02): 62-65. doi:10.16854 /j.cnki.1000-0712.190218

摘要 ( 1127 )

PDF (623KB) ( 717 )

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本论文提出一种基于F-P 标准具的金属线膨胀系数测量方法.该方法利用光杠杆将金属棒受热膨胀时的伸长量转

化为F-P 标准具干涉光场中干涉条纹半径的变化，通过测量干涉条纹的间距便可实现对金属线膨胀系数的测量.由于该方法

仅需测量F-P 标准具干涉光场中外侧条纹的间距，并且F-P 标准具的多光束等倾干涉可以产生锐利的干涉条纹，因此测量过

程更加简便，实验结果的精确度更高.通过实验测量验证了该方法的可行性与可靠性.

20 世纪的物理学巨匠———尼尔斯·玻尔

陈波, 何彪, 李幼真, 徐富新

2020, 39(02): 66-68. doi:10.16854 /j.cnki.1000-0712.190110

摘要 ( 2939 )

PDF (118KB) ( 624 )

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尼尔斯·玻尔( 1885—1962) 是20 世纪著名的物理学家，年轻时就发表了影响深远的“三部曲”.本文通过其重新诠释“弗兰克-赫兹”实验结果、创建哥本哈根研究所、与爱因斯坦论战、推动创立原子能机构等几个故事展示了这位物理学大师超群的智慧、高尚的人格、伟大的爱国精神以及为人类和平奉献的崇高精神.

基于VPython 的天体轨道运动模拟与可视化

吴永昊, 刘玉颖, 宋敏

2020, 39(02): 69-73. doi:10.16854 /j.cnki.1000-0712.190068

摘要 ( 2644 )

PDF (530KB) ( 1510 )

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运动、力、动量、能量是大学物理教学最基本且重要的内容. 在牛顿力学中，如果已知初始条件，对于有序系统可以

预测其未来的运动状态，牛顿力学在天文学上的处理是最成功的. 本文基于万有引力定律和动量定理，借助计算机软件

VPython 模拟天体的运动过程，例如卫星、月球绕地球的运动，火星绕太阳的运动，卫星绕双星系统的运动，直观地显示了天体

运动轨迹，使天体运动过程实现了可视化. 教学实践表明基于VPython 的天体轨道运动模拟与可视化，可以使学生更好地理解

并灵活运用牛顿运动定律和动量定理，是对经典物理教学内容的有益补充.

安培环路定理的拓扑学描述

唐建立, 李逸文, 朱俊安, 梁奇锋

2020, 39(02): 74-77. doi:10.16854 /j.cnki.1000-0712.190056

摘要 ( 1390 )

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近年来拓扑学在量子力学中得到了广泛的运用.本文将安培环路定理积分式重新表达为一矢量场在轮胎参数面上

的第一类陈数积分.数值模拟展示了该积分值为一整数即第一陈数，其代表矢量场的整体性质: 当经历连续变换时，矢量场的

局部数值发生改变但整体积分值即陈数仍保持不变; 若陈数发生改变，则表明矢量场变换的连续性条件发生破坏，矢量场出

现奇点.进一步通过高斯映射将该矢量场从参数轮胎面映射到单位球面上，并给出了第一陈数的直观几何意义.理论和数值结

果揭示了安培环路定理的拓扑学本质，表明拓扑概念在经典物理学中也会有广泛应用.

封面说明

陈晓林

2020, 39(02): 78.

摘要 ( 276 )

PDF (59KB) ( 99 )

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今年是奥斯特、安培、毕奥和萨伐尔各自发现以他们的名字命名的定律的200 周年.本刊以他们的事迹

作为今年的封面，致以敬意.

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