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当期目录

    2021年 第40卷 第12期 刊出日期:2021-12-10
      
    教学研究
    利用电荷量子比特促进矩阵力学的教学
    涂 涛, 李传锋, 郭光灿
    2021, 40(12):  1.  doi:10.16854 / j.cnki.1000-0712.210108
    摘要 ( 400 )   PDF (386KB) ( 603 )  
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    在量子力学教学中,矩阵力学的表示和计算是一个非常重要的内容. 二能级体系作为典型而又简单的例子,可以加深学生们对矩阵力学的理解. 然而目前教材中对二能级体系的重视比较有限. 本文引入量子信息前沿研究中的一个体系: 电荷量子比特作为教学案例. 在教学中,首先利用哈密顿量对体系建模,描述单电子在两个量子点中的占据和隧穿过程. 然后,通过能量本征函数表示、求解含时薛定谔方程和求解力学量平均值的运动方程等 3 种方法,得到体系状态和测量概率随时间变化的关系. 最后与相干实验结果比较,发现理论结果能很好的描述实验现象,而且有清晰的物理图像. 这样的教学方式有助于学生更加直观和深入地掌握矩阵力学表示下的量子力学规律与计算方法.
    第一原理的原子热力学方法及反应相图分析
    楚兴丽, 张岩星, 杜爱慧
    2021, 40(12):  8.  doi:10.16854 / j.cnki.1000-0712.210185
    摘要 ( 289 )   PDF (351KB) ( 105 )  
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    复相系的平衡条件及平衡性质是热力学教学的重要内容.为了使学生更加深入理解热力学的基本理论和基本知识,本文基于相平衡原理详细介绍了第一原理的热力学方法,并将相应的学术研究成果引入课堂教学中.这不仅有利于提高学生对热力学平衡性质的理解和应用,也对教学内容的设计提供了参考.
    教学讨论
    两狭长平行板间液桥两端体积的计算
    阳 丽, 程震宇, 萧华鹏
    2021, 40(12):  12.  doi:10.16854 / j.cnki.1000-0712.210220
    摘要 ( 221 )   PDF (294KB) ( 72 )  
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    当微量液体被吸附在具有微小间距的两个固体表面时,会出现液桥现象. 本论文以两狭长平板间的液桥为研究对象,建立三维液桥模型,计算液桥两端马鞍形液体体积,得到液桥形态特征参数与体积之间的数学关系.
    励磁螺线管中的同轴铁管及其缺陷对轴线上磁场的影响
    马凤翔, 储 薇, 王馨悦
    2021, 40(12):  15.  doi:10.16854 / j.cnki.1000-0712.210298
    摘要 ( 219 )   PDF (204KB) ( 67 )  
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    本文在利用霍尔效应测量励磁螺线管磁场实验的基础上,通过在螺线管中放置同轴铁管来扩展磁场测量的实验内容.

    实验表明处在励磁螺线管中的完好铁管,其内部磁场几乎为零,但是如果铁管存在材料缺陷,则可在相应的轴线位置上测到明显的漏磁信号.

    这一扩展性实验不但加强了磁场测量的实验训练,也丰富了磁屏蔽和缺陷漏磁检测的基本实验技术.

    物理实验
    平面光波与球面声波的声光衍射研究
    席 锋, 胡 莉
    2021, 40(12):  20.  doi:10.16854 / j.cnki.1000-0712.200544
    摘要 ( 213 )   PDF (266KB) ( 110 )  
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    对平面光波与开口球腔内的球面驻波声场的声光相互作用,分别进行理论和实验研究. 以光的衍射理论为基础,推导出了衍射的光强分布,并通过数值计数得到了衍射光强分布图样.在搭建的实验平台上,对该声光相互作用的衍射现象进行了实验测试,从衍射图样测得的声波长与实际声波长相符.
    任意亮度孔形衍射的数值模拟
    方慧雯, 杨锦宏, 贺胜男, 卫玉娇, 张吴记, 汪卫华
    2021, 40(12):  24.  doi:10.16854 / j.cnki.1000-0712.210128
    摘要 ( 241 )   PDF (468KB) ( 90 )  
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    本文基于 Matlab 软件平台,通过编写程序来处理惠更斯-菲涅耳公式. 利用图片像素实现各种孔形光源的亮度值,再用 Matlab

    循环计算光屏上复振幅分布,可简单快速地实现任意形状及亮度孔的近场和远场衍射图案的数值模拟,给出任意形状和任意亮度孔的衍射图案.模拟近场衍射特性时,衍射图像中央存在光强减弱、增强两种情况,验证了近场衍射到远场衍射的过程中央光强变化逐渐减少; 模拟正多边形孔衍射特性时,验证了当正多边形的边数趋于无穷大时,衍射图像为圆孔衍射; 最后,给出任意形状和任意亮度孔的衍射图案.

    玻恩规则的实验检验
    金芳洲, 彭玉平, 李庆容, 朱小飞
    2021, 40(12):  29.  doi:10.16854 / j.cnki.1000-0712.210030
    摘要 ( 222 )   PDF (323KB) ( 72 )  
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    玻恩规则是量子力学的一个基本假设,它建立了量子力学中波函数与实验测量之间的对应关系.   然而,有一些推广的量子理论尝试对玻恩规则提出修正,修正后的理论存在与玻恩规则预测不一致的情况,即可以有多阶干涉效应.   近年来,有许多研究者在不同的实验体系上通过测量多阶干涉项来对玻恩规则进行检验,得到的实验结果与玻恩规则预测的结果在误差范围内相符合. 本文介绍了光学体系和自旋体系中检验玻恩规则的设计原理,并从改变观测量的角度对自旋体系中的设计原理做了补充. 希望能对今后玻恩规则的理解与研究有所帮助.
    物理.自然.技术.社会
    工业烟尘对光束传播质量影响的模拟研究
    刘建苹, 符继征, 林 勇
    2021, 40(12):  33.  doi:10.16854 / j.cnki.1000-0712.210165
    摘要 ( 191 )   PDF (162KB) ( 37 )  
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    基于光闪烁的颗粒物浓度测量技术已成为工业现场非介入式测量的重要手段.为研究工业烟道内烟尘粒子谱分布和粒径对探测光束强度的影响,以朗伯-比尔定律为基础,结合粉尘消光系数与烟尘种类、中位粒径等关系,模拟计算了烟尘粒子粒径满足对数正态和高斯两种分布状态下探测光强的衰减情况.从计算结果看: 满足对数正态分布的烟尘粒子对光束衰减更明显,且粒径越小衰减效果越明显.
    大学生园地
    定点运动转轴唯一性与欧拉角位移矢量性讨论
    徐晨昊, 张亚红
    2021, 40(12):  36.  doi:10.16854 / j.cnki.1000-0712.210223
    摘要 ( 231 )   PDF (258KB) ( 101 )  
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    本文旨在通过解析法严格证明刚体定点运动的等效转轴与瞬时转轴的唯一性,并探究定点运动的欧拉角位移矢量性成立的条件.利用过渡矩阵及其特征向量的性质对等效转轴的唯一性进行了证明,并在此基础上印证了有限欧拉角位移不是矢量.随后证明了瞬时转轴唯一性,并基于过渡矩阵的微分运算得出无限小欧拉角位移为矢量的结论,给出了瞬时转轴方向向量与欧拉角之间的解析关系.基于矩阵运算对定点运动相关结论的严格证明和分析充实和完善了刚体定点运动的描述,证明和分析过程进一步展示了矩阵及其特征值性质在复杂刚体运动分析中的优势.
    薄圆柱落地的运动问题
    吴家毅
    2021, 40(12):  41.  doi:10.16854 / j.cnki.1000-0712.210056
    摘要 ( 150 )   PDF (425KB) ( 106 )  
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    由日常生活中的脸盆或圆盘旋转落地问题抽象出薄圆柱落地问题,这个问题解析求解困难,但物理图像十分有趣.本文用不同的近似方法逐渐逼近实际情况,通过数值模拟展现了该运动图景.薄圆柱落地前一段时间的运动可以近似为定点转动,研究发现与实际符合得较好.然而实际过程又不完全是定点转动,因此研究了刚体一般运动并得到有趣的结果.初始自转、进动和章动角速度塑造了运动的形态,摩擦力在实际运动过程中发挥着损耗物体能量的重要作用.
    利用三维球性质直观地推导麦克斯韦速度分布率
    孙宇辰, 张兆龙
    2021, 40(12):  47.  doi:10.16854 / j.cnki.1000-0712. 210072
    摘要 ( 257 )   PDF (128KB) ( 127 )  
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    借助三维球的性质以及速率分布函数与某个方向速度分布函数的关系,用一种较为直观且不需要偏微分方程的方法推出三维空间的麦克斯韦速度分布率.
    磁场中荷电粒子动量分量间不对易性和角动量的一个新关系
    陈俊风, 谢蔚鑫, 王 鑫, 刘全慧
    2021, 40(12):  49.  doi:10.16854 / j.cnki.1000-0712.210252
    摘要 ( 279 )   PDF (146KB) ( 92 )  
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    磁场中荷电粒子动量不同分量间的泊松括号或者对易关系不为零,而是正比于一个磁场分量,本文证明了这个量正比于荷电粒子力学角动量的一个分量.这个关系可以认为磁性本质上是旋转性这一定性描述的定量表达.
    小磁体在金属管中下落的阻尼运动研究
    王铠泽, 陶小平
    2021, 40(12):  52.  doi:10.16854 / j.cnki.1000-0712.210140
    摘要 ( 251 )   PDF (189KB) ( 183 )  
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    定量研究小磁体在金属管中下落的运动规律,给出了相关理论公式,设计实验并测量了小磁体的下落速度、小磁体磁矩和金属管电阻率等物理参量.
    眼镜轴距与人眼瞳距便捷测量方法
    周思颖, 常凯歌, 毛胜春, 高 博
    2021, 40(12):  55.  doi:10.16854 / j.cnki.1000-0712.210044
    摘要 ( 417 )   PDF (708KB) ( 67 )  
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    当人眼的瞳距与其所戴眼镜的轴距不匹配时,看到的景物会变形、失真和模糊,造成视觉疲劳,对眼睛造成不可逆的伤害.

    本论文提出了采用激光笔、尺子和手机拍照的人眼瞳距与眼镜轴距的自主测量方案,通过分析光学成像原理,建立激光笔四种位置模式的眼镜轴距测量模型,给出眼镜两镜片度数相同和不同时的计算公式.搭建实验平台进行了实验,分析了影响精度的因素,并采用 Tracker 视频分析软件来进一步减小测量误差.最后,采用手机拍照来准确测量人眼的瞳距,从而实现了人眼瞳距与眼镜轴距的便捷测量,以及它们是否匹配的准确判别.

    钠原子 s、p 能级量子缺的普通物理实验粗测法
    丁又也, 张三军, 尹亚玲
    2021, 40(12):  62.  doi:10.16854 / j.cnki.1000-0712.210080
    摘要 ( 308 )   PDF (241KB) ( 63 )  
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    “分光计的调节与三棱镜折射率的测量”是普通物理实验课程中的一个经典实验.在该实验中,学生在进行三棱镜折射率测量时可以观测到汞灯光谱,直观形象,但是未深入探究原子谱线的产生机理.“钠原子光谱实验”是近代物理实验中的经典实验,学生通过计算量子缺、绘制能级图,认识谱线和原子性质.本实验将二者的思想和方法结合,并贯通拓展,使用学生熟悉的分光计直接观测钠原子光谱,再利用内插法计算钠原子 s、p 能级的量子缺,从而深入认识谱线和原子性质. 根据分光计实验,s、p能级量子缺的最终计算结果为 1.348、0.882,和精确计算值相符,证实本实验方案切实可行.

    超声相控阵任意点悬浮优化算法
    黄俊康, 邓恺潇, 范千千, 林家弘, 何庆麟, 彭 力
    2021, 40(12):  67.  doi:10.16854 / j.cnki.1000-0712.210107
    摘要 ( 195 )   PDF (1036KB) ( 42 )  
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    换能器相位延迟的优化程度直接影响了超声相控阵对粒子操控的精确程度.本文提出了一种用于优化计算超声相控阵各换能器相位延迟的改进自适应遗传算法,该算法具有收敛快、收敛稳定和优化效果好的特点,并且该算法对阵列规模不敏感. 本文以空间中 4个悬浮点为例,验证了该算法对空间中任意悬浮点都有很好的优化效果,并通过搭建超声相控阵声悬浮实验装置进行悬浮实验,验证了该算法的可靠性.

    信息与动态
    欢迎订阅2022 年《大学物理》
    2021, 40(12):  73. 
    摘要 ( 92 )   PDF (69KB) ( 25 )  
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    大学生园地
    下落的塔稳定性条件探究
    肖向君, 陈可鉴, 刘天奇
    2021, 40(12):  74.  doi:10.16854 / j.cnki.1000-0712.210076
    摘要 ( 400 )   PDF (705KB) ( 182 )  
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    把相同的圆盘摞起来以形成一个自立式的塔,底部的圆盘能通过施加一个突然的水平力来去除,同时保持塔的剩余部分立着坐落在桌面上.本文将探究此现象并确定允许塔保持站立的条件.理论方面,分阶段进行了动力学分析,发现判断塔是否发生坍塌的关键在于塔触地瞬间的位形.实验方面,创新地采用电机转轴带动绳子拉圆盘以施加水平力,提升了实验的可控性和可重复性;探究了水平力作用点高度、圆盘厚度与半径之比、塔层数对塔稳定性的影响.理论与实验趋势大体较好符合,两者差异处有合理的分析与解释.

    信息与动态
    获“2018 及2019 年度优秀论文奖”文章名录
    2021, 40(12):  80. 
    摘要 ( 165 )   PDF (69KB) ( 114 )  
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    《大学物理》2021 年总目次
    2021, 40(12):  85. 
    摘要 ( 155 )   PDF (170KB) ( 103 )  
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