大学物理

几何视角下的热力学

刘全慧

2021, 40(8): 1. doi:10.16854 / j.cnki.1000-0712.210029

摘要 ( 1177 )

PDF (244KB) ( 936 )

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几何和热力学中的联系长期没有受到足够的注意. 本文用几何分析了热力学中的三个问题. 第一，从数学上切触几何理解汤姆孙-贝特洛原理，并直接提炼出热力学第三定律; 第二，如何从二维曲面的高斯曲率研究气液临界点附近的形状，研究 van der Waals 方程中 a、b 系数是否和温度有关这一问题; 第三，涨落理论可以有度规描述并具有标量曲率，并利用 vander Waals 方程展示了标量曲率如何刻画分子之间的相互作用.因此，通过挖掘热力学问题的几何内涵不但可以解决热力学疑难问题，还可以发现新的研究方向.

有质弹簧缓慢腐蚀过程中的浸渐不变量及其电学推广

范洪义, 陈俊华, 吴泽

2021, 40(8): 5. doi:10.16854 / j.cnki.1000-0712.210001

摘要 ( 953 )

PDF (138KB) ( 333 )

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本文探讨并解出了有质弹簧缓慢腐蚀过程中的浸渐不变量，基于该模型推广到了平行板电容器中的电解质液体缓慢腐蚀情形下的浸渐不变量.求解过程中所包含的数学方法和物理思想能够为经典物理的量子化提供了可行的方向，此外该模型也可以简单地推广到磁介质退化情形下的浸渐不变量.

双层转角石墨烯结构的构建方法浅析

陈明星

2021, 40(8): 8. doi:10.16854 / j.cnki.1000-0712.210060

摘要 ( 1391 )

PDF (381KB) ( 662 )

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双层转角石墨烯是近几年凝聚态物理领域的前沿研究热点. 本文阐述了基于晶体周期性和超胞-原胞变换矩阵构造石墨烯超胞结构的方法，并将其应用于双层转角石墨烯结构的构造，增进学生对晶体结构周期性这一特点的理解，掌握描述复杂晶体结构的数学方法，并了解相关前沿进展.

电子关联效应在固体物理教学中的意义探讨

郭星原, 刘凡, 陈姝君

2021, 40(8): 11. doi:10.16854 / j.cnki.1000-0712.210049

摘要 ( 1079 )

PDF (229KB) ( 377 )

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固体的电子理论是以独立电子和单电子近似为基础，单电子在周期势场中的运动发展成能带理论. 能带理论重要成就之一是成功地预言了晶体的导电性，而对一些过渡金属氧化物特性的解释出现了问题. Mott 首先在物理上指出，其根原因是基于单电子近似得到的能带理论忽略了电子之间的关联作用.

本文通过介绍单电子近似的基本思路和所获得的成及其不足，进而讨论电子关联在目前凝聚态物理如超导、魔角石墨烯等前沿问题中的重要意义.在教学中，电子关联效应是体物理基础知识和前沿问题相互连接的纽带，具有承上启下的作用. 因此，在教学中应重视电子关联现象的讲解及在前沿理领域中作用.

球面平均值函数及其微分方程的推导

蔡俊, 李敏, 王群

2021, 40(8): 16. doi:10.16854 / j.cnki.1000-0712.210016

摘要 ( 1928 )

PDF (187KB) ( 492 )

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三维波动方程初值问题是数学物理方法课程的重要教学内容. 本文讨论球面平均法求解该问题时，球面平均值的定义及其满足的偏微分方程的建立过程.

在教材常见推导的基础上，本文提出了球面平均值方程一种更简洁的推导方法. 本文的讨论有利于澄清球面平均值函数的含义，为球面平均法以及球坐标系下数学物理方程的教学提供参考.

恒定磁场中安培环路定理的探讨

胡锡奎, 李丽, 冯春宝, 牟琼

2021, 40(8): 20. doi:10.16854 / j.cnki.1000-0712.200523

摘要 ( 1885 )

PDF (267KB) ( 433 )

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安培环路定理是稳恒磁场中的一个重要方程，常用于分析具有某种对称性的电流体系的磁感应强度分布.

本文探讨了安培环路定理应用的情形及其数学原理，通过简单的模型澄清了安培环路定理在有限长载流直导线中不成立的误解，探讨了安培环路定理成立的普适性，能够帮助学生更好地掌握安培环路定理和进一步理解磁场的性质，有助于培养学生严谨求实的科学态度.

物点经多层平行介质界面折射成像的叠加法则及应用分析

邵云

2021, 40(8): 23. doi:10.16854 / j.cnki.1000-0712.200493

摘要 ( 908 )

PDF (448KB) ( 110 )

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文章采用了一种较为简便、自然的推理方法，推导出物点经平行介质界面二次折射成像的虚像点位置，发现了所谓的“物点经多层平行介质界面折射成像的叠加法则”.文章对几种特殊情形下的像点坐标进行了讨论: 分析和解释了游泳池中泳女的“身首分离”折射现象; 分析出空气中物体经玻璃砖的成像特点，指出人们通常使用薄玻璃窗户的光学依据; 对空气中的物点经折射率线性变化介质的折射成像进行了详细的研究，指出物点经折射率均匀变化介质的成像位置与经平均折射率的等厚介质，除 80° ～90°的大视角情形外几乎一致.文章中的推理方法和结论或可为相关内容的教学、科研提供参考.

麦克斯韦-玻尔兹曼分布在易辛模型中的应用

应涛, 裴延波, 王晓鸥, 张宇

2021, 40(8): 29. doi:10.16854 / j.cnki.1000-0712.200361

摘要 ( 1129 )

PDF (200KB) ( 592 )

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麦克斯韦-玻尔兹曼分布给出了系统在任一微观状态下的玻尔兹曼概率，从而可以计算系统中宏观观测量的统计平均值.但在实际计算中，由于系统可能微观状态数随系统晶格格点数增大而指数增大，往往无法进行计算. 本文以易辛模型为例，介绍了如何从玻尔兹曼概率的角度研究系统可能微观状态的演化过程，从而可以只考虑高概率的微观状态. 使用该方法，研究了二维易辛模型的平均每自旋的基态能量和平均每自旋的磁化率随温度的变化关系.

关于加速箱内气球运动的演示实验

路峻岭, 顾晨, 任乃敬, 马泊一

2021, 40(8): 33. doi:10.16854 / j.cnki.1000-0712.200480

摘要 ( 760 )

PDF (181KB) ( 148 )

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在透明薄壳箱中设置轻重两个气球，轻者上浮，重者下沉，以固定于上下薄壳箱壁的细丝线系住它们，使两气球的中心的高度大体相等.

把此薄壳箱固定于平桌车上，操作者沿着两个气球中心连线的方向加速推动平桌车，两个气球将在等效引力和惯性力的共同作用下作相向或相离加速运动.

了解本实验，将使学生对气体热平衡态的概念、对等效原理、对惯性力以及对在非惯性系中处理问题的理解有所帮助.

三维声发射源定位实验简易实现方法

崔志文, 尹莘新

2021, 40(8): 36. doi:10.16854 / j.cnki.1000-0712.200510

摘要 ( 866 )

PDF (504KB) ( 496 )

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本文针对声发射技术中的三维定位问题提出一种新的简易实验方案.通过传感器接收的时差信息和空间坐标实现三维立体结构中的声发射源定位，操作和计算简单，降低了实验成本. 该实验方法不仅可以直观地实现三维声发射源定位过程，还可以实现声速的测量.本设计加深了学生对物理问题的理解，提高了学生对声发射技术和声源定位技术的兴趣，适合普及.

基于多激光光电门的液体黏度测量

郭晓春, 吴佳琪, 曹萍萍, 李松洋, 邢学一

2021, 40(8): 40. doi:10.16854 / j.cnki.1000-0712.210061

摘要 ( 642 )

PDF (245KB) ( 412 )

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本文设计了一种多激光光电门液体黏度测定仪. 采用自制的铅锤校准系统和落球定位漏斗，使小球沿玻璃圆筒中心轴线下落，利用四组激光光电门计时，通过实验寻找小球匀速下落区间，可在一次落球实验中获得4 组实验数据. 新方法消除了传统落球法实验的弊端，提高了实验测量的效率和准确度.

数值法研究光的圆孔衍射实验现象

曹冬梅, 曾祥梅

2021, 40(8): 45. doi:10.16854 / j.cnki.1000-0712.200492

摘要 ( 954 )

PDF (410KB) ( 292 )

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在平行平面波近似的情况下，数值法求解菲涅耳-基尔霍夫衍射积分公式，得到平行平面光波通过圆孔衍射后的光强分布图.

通过对纵向及横向光强分布图的数值分析，验证了轴上点光强由菲涅耳数决定，菲涅耳数大于 1 时为菲涅耳衍射区，菲涅耳数小于 1 时为夫琅禾费衍射区. 在近场，光强分布为明暗相间的环形条纹;在远场，光束演化成束腰位置在圆孔处的高斯光束，仿真结果与理论和实验结果基本一致. 本仿真结果将光衍射的抽象理论直观化、可视化.

研究生光学仿真实践教学与科学探索能力培养

江萍, 杨华军, 蔡杨伟男, 秦琰, 邬劭轶

2021, 40(8): 50. doi:10.16854 / j.cnki.1000-0712.210021

摘要 ( 645 )

PDF (688KB) ( 210 )

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本团队结合光学系统设计、光通信前沿技术、高等光学等研究生课程建设，通过仿真实践综合训练，强化科研促进教学的理念，将光学学科前沿科研项目纳入到研究生教学和科研训练中，开展重理论基础、强创新实践、突科教融合的创新实践教学改革，通过基础光学、现代光学、综合应用三个层次的挑战性实践案例，将基础理论和仿真实践相融合，科学研究与工程应用相融合，加强研究生仿真实践能力和科学探索能力的培养.

三大系统下的大学物理“混合式”教学构建 ———以绪论课为例

张丽萍¹, 石岩², 孔令宜²

2021, 40(8): 57. doi:10.16854 / j.cnki.1000-0712.200355

摘要 ( 699 )

PDF (1096KB) ( 864 )

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以大学物理绪论课为例，给出三大系统指向下的“混合式”教学构建. 旨在课前定目标、课中启智慧、课后求产出的基础上，强化学习动力和愿景诉求.

其中包括课前启发力、课中调动力、课后追加力承载动力系统，以及课前“我是谁”、课中 “我要怎样”、课后“我该如何”对标愿景系统.

借助沁入思政、启迪智慧的混合式教学，践行“学生中心、产出导向、持续改进”的新时代教学理念. 用教学实施、学生成长、实验对比诠释教学效果.

悬浮水轮回复现象的探究

沈君宇, 陈鑫, 姚关心

2021, 40(8): 63. doi:10.16854 / j.cnki.1000-0712.200533

摘要 ( 646 )

PDF (213KB) ( 237 )

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通过对稳定悬浮在冲击水柱上方的轻质球形物体进行预实验猜想，判断出其稳定悬浮条件与水柱冲击点位置相关.在对水柱冲击点进行速度方向的分解后，由康达效应得知流体流经弯曲物体表面过程中存在相互作用力，遂试图利用边界层理论对物体进行受力分析，进而给出物体横向受力的表达式.解释了物体在水柱冲击点稍偏离平衡冲击位置时，物体所受到的类似“回复力”的现象.通过实验测量结果验证了此理论的自洽性.

弹性支撑杆下变悬点单摆运动的研究

周颖, 田蓬勃, 李涛, 刘瑞丰, 刘萍, 方爱平, 王小力

2021, 40(8): 66. doi:10.16854 / j.cnki.1000-0712. 200536

摘要 ( 650 )

PDF (625KB) ( 309 )

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为研究支撑杆为弹性杆时单摆的轴向振荡和切向振荡相互转化这一现象，本文提出基于保守系拉格朗日方程的理论与实验探究方法.分析摆球在不同初始释放角，不同摆线长度以及不同杨氏模量的支撑杆的条件下，在两个垂直方向上振荡的转化时间，以及摆球轨迹和分位移的改变情况.理论与实验结果表明初始释放角越大，转化时间越短; 摆长越短，转化时间越短; 支撑杆杨氏模量越小，转化时间越短.实验数据与理论结果吻合良好，从理论上很好地解释了实验现象.

分光计调整对三棱镜顶角和最小偏向角测量的影响

李心婧, 宋新兵

2021, 40(8): 72. doi:10.16854 / j.cnki.1000-0712.200448

摘要 ( 2916 )

PDF (459KB) ( 657 )

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在利用分光计测量三棱镜折射率的实验中，一个关键的步骤是调整载物台使其主轴和望远镜、平行光管主轴相互垂直.这种情况被称为标准情况.对于实验中存在的载物台偏离标准情况，本文从理论和实验上分析了其对顶角和最小偏向角测量的影响.实验上分两种情况进行了测量，一种情况是: 平面镜至少一面反射的绿十字像落在视野内，此时用绿十字像的位置标定载物台的倾斜程度; 另一种情况是: 外置一个测量载物台主轴俯仰角的实验装置，用偏离角度描述载物台的俯仰程度.本文测量了两种情况下三棱镜顶角和最小偏向角随载物台倾斜的变化，得到了小于测量本身误差对应的载物台倾斜范围.

基于迈克耳孙干涉仪及双空气劈尖测量液体折射率

施羿含, 罗海军, 张栋

2021, 40(8): 77. doi:10.16854 / j.cnki.1000-0712.210062

摘要 ( 940 )

PDF (246KB) ( 567 )

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折射率是介质的一个重要光学参数，对折射率的测量是光学实验中一个重要的组成部分.本实验利用双棱镜和平板玻璃制成的双空气劈尖作为盛放液体的容器，并在迈克耳孙干涉仪上增加了横向传动装置来控制双空气劈尖的移动，设计了一种测量液体折射率的实验装置.该实验方法避免了复杂的元器件加工，操作简便且测量结果较精确.

基于 LED 光电池阵列和神经网络的空间定位方法

谭昊炎, 邵瀚雍, 刘思胤, 王爱记, 白在桥

2021, 40(8): 81. doi:10.16854 / j.cnki.1000-0712.210035

摘要 ( 580 )

PDF (580KB) ( 129 )

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本文提出并验证了一种基于光源-探测器阵列码和人工神经网络的空间定位方法.在探测区域的上方放置若干发光二极管，并在下方随机排列了多个光电探测单元.物体遮光形成的光强分布可以视为表征空间位置的特征.将光强分布数据利用预先搭建的神经网络处理和学习，实现从光强分布到物体空间坐标的映射关系，以实现物体的高精度、快响应空间定位. 实验利用了 6 个发光二极管和 8组光电池搭建了演示系统，通过实际测量进行了空间定位.

封面说明

陈晓林, 田光善

2021, 40(8): 82.

摘要 ( 263 )

PDF (955KB) ( 117 )

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开普勒诞辰

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