大学物理

赵玉民

2025, 44(3): 1. doi:10.16854/j.cnki.1000-0712.240290

摘要 ( 147 )

PDF (510KB) ( 138 )

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本文简述费米在指导研究生和青年助手方面的重大成就，总结费米在人才培养方面的风格.费米指导研究生的原则是永远向前，费米的研究生没有一个人沿着他的已有思路做补遗式工作.费米还注意因材施教，找到每个学生心灵深处独特和最亮的闪光点，每一个学生都按照各自独特的方式健康成长.费米在人才培养方面的模式在当今依然值得借鉴和学习.

氦原子的简并微扰计算

黄永义

2025, 44(3): 3. doi:10.16854/j.cnki.1000-0712.240265

摘要 ( 127 )

PDF (610KB) ( 129 )

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用斯莱特行列式构造氦原子的零级近似波函数，用简并微扰方法计算了氦原子激发态的能级和波函数，讨论了基态能级和波函数.

缺陷Dirac梳中波包散射问题的研究

邓志姣, 程航, 沈咏, 施帅, 陈平形

2025, 44(3): 5. doi:10.16854/j.cnki.1000-0712.240335

摘要 ( 71 )

PDF (569KB) ( 43 )

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微观粒子在周期势场中的运动是量子力学和固体物理教学中都会涉及到的重要内容.本文基于缺陷Dirac梳模型，研究了波包在周期势场中发生散射的能谱结构以及典型特点，可作为量子力学教学内容的延伸，以帮助学生在后续固体物理的学习中建立清晰的物理图像.

基于玻耳兹曼方程的载流子迁移率和热导率研究

唐菊红, 杨凯科, 周光辉

2025, 44(3): 8. doi:10.16854/j.cnki.1000-0712.240179

摘要 ( 96 )

PDF (606KB) ( 109 )

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迁移率和热导率是表征半导体材料及器件导电与导热能力的重要物理量.本文基于玻耳兹曼方程，介绍求解电子和空穴迁移率及晶格热导率的方法，并将其用于模拟体材料硅(Si)和单层二硫化钼(MoS2)的输运性质.结合第一性原理计算，揭示了Si和单层MoS2的载流子迁移率和热导率均随温度升高而下降，与实验结果一致.另外发现当载流子浓度低于1018cm-3或1012cm-2时，Si和MoS2的迁移率基本保持不变；而当载流子浓度高于1018cm-3或1012cm-2时，二者的迁移率随载流子浓度升高迅速减小.本研究将玻耳兹曼方程应用到晶体材料计算，对促进教学与科研互惠协同发展有重要意义.

非理想气体等容摩尔热容计算的深入研究

丁社光

2025, 44(3): 14. doi:10.16854/j.cnki.1000-0712.240317

摘要 ( 82 )

PDF (635KB) ( 73 )

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等容摩尔热容的计算涉及到化工热力学、数值分析、计算机程序设计多门课程知识，对其深入研究有助于培养学生综合应用不同学科的知识的能力.研究发现，体积或压力对非理想气体等容摩尔热容有较大的影响.以非理想气体状态方程为基础，通过实验测量或查文献得到温度T、压力p1的CV的前提下，最终计算出温度T、压力p2下的等容摩尔热容CV.计算结果与文献值进行比较.结果表明，在低温(<400 K)、高压(>10 MPa)条件下，压力对CV的影响非常大，压力的影响不能忽略；而在高温或低压下，压力的影响非常小.

从固体表面物理原理探讨液体表面张力的微观机制

周华, 秦然, 徐金朋, 盖志刚, 刘建强, 刘凤芹

2025, 44(3): 24. doi:10.16854/j.cnki.1000-0712.240332

摘要 ( 100 )

PDF (1041KB) ( 86 )

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无论是在中学还是大学物理教学中学生对于液体表面张力的微观机制理解都存在困难，目前实验上也难以对表面微观结构进行观测，使得液体表面张力微观机制的揭示一直以来都是科学领域的一个难题.为了更加深入的理解和探究这个科学问题，本文基于类比固体表面重构的基本原理并通过动力学模拟方法进行论证，探讨了液体表面张力来源于液体表面层分子间距变大，分子之间表现为引力作用，因此表面上存在与液面相切的张力作用.

能带结构的布里渊区折叠法浅析

吴宗铄, 李旭, 张海军, 杨玉荣

2025, 44(3): 29. doi:10.16854 /j.cnki.1000-0712.240337

摘要 ( 123 )

PDF (1058KB) ( 96 )

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能带是固体材料中重要的电子性质，它是在倒空间中高对称波矢所对应的电子能量本征值的连线. 能带结构和倒空间的布里渊区相联系. 当二维层状结构卷曲成管状结构时，相应的倒空间也会从二维转变为一维，因而一维结构的能带可以从二维结构的布里渊区折叠得到. 本文通过二维石墨烯与一维单壁碳纳米管、以及二维La3Ni2O7层状结构与其卷曲成的纳米管的能带两个实例介绍分析了能带结构的布里渊区折叠法.

稳恒磁场安培环路定理的一种证明方式

管从森, 张光明, 宿德志, 赵月月

2025, 44(3): 33. doi:10.16854/j.cnki.1000-0712.240407

摘要 ( 101 )

PDF (528KB) ( 92 )

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本文借助高等数学的斯托克斯定理、电流线的物理模型和场强叠加原理，给出了稳恒磁场安培环路定理的一种证明方式，证明过程不同于电磁学教材中使用立体角的证明方法，与电动力学教材中的证明过程也有所不同.与经典专业教材相比，本文的证明过程虽然比较繁琐，但为安培环路定理的证明提供了一种不同的做法，供广大师生参考.

偏振相关动态调谐光纤滤波器理论模拟及设计

吕志国, 李泽, 蒋松聿, 王微微

2025, 44(3): 36. doi:10.16854/j.cnki.1000-0712.240293

摘要 ( 55 )

PDF (595KB) ( 29 )

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可实时动态调控光谱带宽的滤波器在光纤通信、光谱控制及脉宽调控等激光技术领域具有重要应用价值. 例如超短脉冲激光的产生就主要受内腔非线性相移、群速度色散及滤波器光谱带宽等参数影响. 其中，滤波器光谱带宽主要影响激光单脉冲能量、脉冲宽度及光谱带宽等参数. 但是现阶段在超短脉冲激光的产生中所使用的滤波器带宽是固定的，无法实现激光脉冲输出参数实时在线动态调控. 针对现阶段滤波器不能实现激光光谱动态调谐且制作工艺复杂的问题，本文采用偏振敏感器件，将双折射诱导波长相关的偏振态旋转转化为振幅调制，基于琼斯矩阵理论模型开展了可实时调控激光光谱带宽及中心波长的全光纤滤波器理论模拟及设计研究. 该研究为大学物理本科教学和光学实验提供了与科学前沿相结合的实验方案，可拓展教学内容和教学深度，有利于培养学生的科学素养.

一维粒子散射问题的计算机模拟及应用

王哲, 陈亮

2025, 44(3): 42. doi:10.16854/j.cnki.1000-0712.240329

摘要 ( 50 )

PDF (850KB) ( 30 )

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一维量子散射问题是量子力学课程中的一个重要内容.在课程的教学过程中，人们往往只关注平面波的散射问题，对于更加真实的高斯波包的讨论比较少见.另一方面，人们往往只关注反射系数，透射系数等物理量的计算，对散射问题中的时间演化问题讨论较少.本工作中，我们使用Crank-Nicolson数值计算方法研究一系列高斯波包在一维势场中的含时演化问题.通过对有限高势垒散射、截断谐振子型势场散射、双势垒共振隧穿、Aharonov-Bohm效应等物理现象的研究，不仅可以加深我们对一维量子散射问题的理解，也为我们分析任意形状一维势中量子态的散射问题提供了一般方法.

β射线吸收虚拟仿真

王东, 章敏, 韩小溪, 成斌

2025, 44(3): 48. doi:10.16854/j.cnki.1000-0712.240114

摘要 ( 48 )

PDF (621KB) ( 26 )

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β射线吸收作为核物理重要现象之一，其被广泛运用于生产和医疗等方面. 然而由于核物理实验条件的限制，难以在高校开展相关物理实验研究.本文以蒙特卡罗计算软件Geant4模拟方法为基础建立物理模型，对β射线吸收过程进行了3D虚拟仿真设计与开发，实现3D模拟环境下对β射线吸收规律的研究. 通过分析铝吸收片对137Cs放射源的吸收数据，发现吸收系数法相比于最大射程法更接近β射线最大能量的理论值；原子序数越大的材料中单位质量厚度的能损越大.β射线吸收虚拟仿真研究不仅让学生了解β射线吸收规律，同时培养了学生的动手能力和创新型思维.

基于相敏谱域干涉的折射率测量实验系统

周红仙, 王毅

2025, 44(3): 53. doi:10.16854/j.cnki.1000-0712.240198

摘要 ( 40 )

PDF (657KB) ( 17 )

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建立了基于谱域干涉的折射率测量方法及实验系统，系统主要包括光纤迈克耳孙干涉仪、光谱仪、线性拟合及相位去包裹方法. 由光谱仪采集干涉信号，用线性拟合及相位去包裹得到高精度光程，进而计算折射率. 用本系统测得晶圆、N-BK玻璃和蒸馏水的折射率分别为3.511±0.012、1.508±0.019、1.311±0.022，相对误差分别为0.23%、0.33%、0.37%. 该方法可以对透明及半透明的固体及液体样品进行折射率测量，不需要对样品进行特殊处理，本系统体现了干涉技术的新发展及应用.

基于MATLAB GUI的傅里叶叠层显微成像教学平台设计

罗佳雄, 罗子聪, 伍雁雄, 刘明迪, 梁俊昭, 谢睿

2025, 44(3): 57. doi:10.16854/j.cnki.1000-0712.240324

摘要 ( 47 )

PDF (1941KB) ( 27 )

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傅里叶叠层显微成像（FPM）是一种新的计算成像技术，具有大视场、高分辨率和定量相位成像等优点，在光学检测和生物医学都有着良好的应用前景.在FPM实验与教学中，学生难以直观的理解不同的参数、误差及算法对FPM实验结果的影响.为此利用MATLAB GUI开发了FPM实验与教学平台，利用此平台，学生能够自行设置不同恢复参数和失调误差并使用多种重建算法进行仿真实验，探究参数、误差和算法对FPM重建质量产生的影响，提升对FPM的理解.该实验平台主要包括基本参数设置模块，相位恢复模块和结果显示模块，具有操作简便，结构严谨的优点，可以有效提高FPM的教学效率，能更好地帮助学生理解傅里叶变换在光学中的应用.

融入HTML5的数值仿真在光学教学中的应用研究

王希光, 傅林, 成禹, 潘硕明, 张洺浩

2025, 44(3): 64. doi:10.16854/j.cnki.1000-0712.240331

摘要 ( 41 )

PDF (790KB) ( 59 )

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本研究开发了交互式HTML5光学数值仿真程序，探讨了其在光学教学领域中的应用. 通过设计仿真界面，学生能够直观和动态地观察到光学参数的改变对仿真结果的影响. 设置了包含随机参数的光学仿真习题，提升了光学教学的个性化水平. 仿真程序利用了HTML5技术的跨平台特性和高度的互动性，让学生随时随地都能开展光学学习和实践. 以几何光学成像、杨氏双缝干涉和菲涅耳圆孔衍射三个典型光学问题为例，展示了HTML5光学数值仿真教学工具的设计思路和应用价值.

Matlab可视化课程辅助电动力学教学的实践与反思

李雅娟, 沈娇艳, 孙坚, 陈永强, 陈高远, 马春兰

2025, 44(3): 70. doi:10.16854/j.cnki.1000-0712.240339

摘要 ( 62 )

PDF (951KB) ( 79 )

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为了使学生更容易理解电动力学课程中抽象复杂的物理概念，激发学生自主学习和探索的兴趣，笔者团队通过占比40%的实践教学课程，教会学生运用Matlab实现电动力学基础知识及前沿科学应用的可视化.根据静电场、静磁场和电磁波传播等基础理论，设计物理意义鲜明且难易适中的绘图案例，帮助学生巩固传统课堂教学的理论推导，加深学生对电磁场规律理解的深度，同时培养学生结合电动力学知识和Matlab工具解决实际问题的能力，全方位提升教学质量.

流体力学课程思政教学案例设计与实践——以都江堰水利工程为例

申峰, 张杰, 刘赵淼, 逄燕

2025, 44(3): 76. doi:10.16854/j.cnki.1000-0712.240361

摘要 ( 75 )

PDF (475KB) ( 34 )

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流体力学作为物理学的一个重要分支，是高校广泛开设的专业基础课，在弘扬科学精神、塑造价值取向等思政教育方面具有重要作用.如何将思政元素融入课堂教学，以激发学生共鸣，成为教师们实践思政教育的关键.以都江堰水利工程作为思政案例，详细介绍如何设计并实践流体力学思政教学的全过程，包括：案例内容、教学设计、案例特色和教学反馈等，以达到让学生有感触、有共鸣的教学效果，旨在为专业基础课思政教学提供有益的借鉴和启发.

第一性原理计算在半导体物理课程教学中的应用

凌发令, 李丽, 陈江山

2025, 44(3): 80. doi:10.16854/j.cnki.1000-0712. 240377

摘要 ( 62 )

PDF (1258KB) ( 68 )

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近年来，随着互联网的飞速发展和计算技术的不断突破，传统大学物理教学迎来了新的变革机遇.半导体物理作为大学物理课程的核心之一，其教学方法的现代化与创新显得尤为重要.本文以单晶硅材料为例，深入探讨了如何有效整合现代先进的第一性原理计算方法，以提升半导体物理课程的教学质量与效果.通过详细阐述第一性原理计算的理论基础及其在半导体晶体结构、电子结构、杂质与缺陷等教学领域的应用，本文旨在为半导体物理课程的教学改革提供实践指导与理论支持，进一步激发学生的学习兴趣与创新能力.

两式一型、讲研结合研究生课程教学模式的探索与实践 ——以量子光学课程为例

张国锋

2025, 44(3): 84. doi:10.16854/j.cnki.1000-0712. 240157

摘要 ( 57 )

PDF (1336KB) ( 70 )

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深化教学改革、探索和构建研究型大学教育教学新体系、培养具有国际竞争力的高素质人才就离不开研究生课程的建设.研究生课程应该以提高研究生的学术和创新能力为目标，尊重和激发学生学习兴趣的基础上，加强课程内容的可研究性、学习方式的可研究性、思政融入的可研究性，着力强化创新思维和科学方法的培养.本文是作者十年来在北京航空航天大学讲授量子光学课程中，经过教学理念、教学内容、教学方法的逐级更迭及辐射推广至其他课程，形成的对研究生课程建设的一些思考.作者认为研究生课程应该以激发科研潜力为根本目的，以引导式、经典文献导读式为特点，构建研究型为主的教学模式探索和实践为抓手，以科学问题为兴趣支点，以课内、课外过程性评价为考核指标，以营造鼓励探究的育人氛围为载体，实施强化讲研结合的教学改革和育人实践.

创造世界工程奇迹的科学大师——写在开尔文诞辰200周年之际

谢奇浩, 陆建隆

2025, 44(3): 88. doi:10.16854/j.cnki.1000-0712.240176

摘要 ( 49 )

PDF (573KB) ( 50 )

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开尔文(1824-1907)作为经典物理学发展到最辉煌的时代中最有影响力的物理学家之一，其一生研究范围广泛，在热学、电磁学、流体力学、地球物理、数学等方面都有着杰出的贡献，被称为英国“维多利亚时代的物理学之王”.开尔文也是一名杰出的工程师，不仅申请了70项专利，更是在大西洋电缆这项世纪工程中从设计到敷设全程参与.开尔文所具有的科学与工程技术相协调的独特气质，正是我们如今所追求的人才培养的目标.2024年恰逢开尔文200周年诞辰，本文通过回顾开尔文的一些研究经历，探讨其身上具备的“双重身份”对如今的启示，作为对开尔文的纪念.

光电效应实验中饱和光电流的影响因素探究

刘丰宁, 郑晓, 张国锋, 董国波, 徐平

2025, 44(3): 95. doi:10.16854/j.cnki.1000-0712.240249

摘要 ( 88 )

PDF (710KB) ( 62 )

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在光电效应实验中，饱和光电流的大小受到多种因素的影响，包括极板间的电压、入射光的频率、入射光强度和阴极材料的光电效率等. 为了探究这些因素对饱和光电流的影响，我们采用了控制变量的实验方法，实验结果显示，在光电效率和频率一定的情况下，入射光强度与饱和光电流呈线性关系，直至达到饱和光电流. 在入射光频率和光强一定的情况下，当极板间电压不足够大时，会影响到阴极材料的光电效率，从而影响饱和光电流的大小. 在光强和电压一定的情况下，对于不同频率的光来说光子数必不相同，饱和光电流的大小是跟光子数直接相关的; 此外，阴极材料的光电效率随着入射光的频率呈非线性变化，从而导致入射光的频率与饱和光电流之间存在非线性关系. 综上所述，饱和光电流是一个特定条件下的极限值，是多个因素共同作用的结果.

利用球形声腔演示能级简并与对称性的关系

巩伊鸿, 贾文慧, 郭靖霖, 白在桥

2025, 44(3): 100. doi:10.16854/j.cnki,1000-0712.240195

摘要 ( 41 )

PDF (873KB) ( 29 )

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本文研究带有长颈的球形声腔的本征频率如何随声腔对称性的破坏程度变化，旨在提供一个可以演示量子力学中对称性与能级简并之间关系的经典力学例子. 在扫频信号驱动下,用麦克风采集声腔内的声压信号，根据功率谱得到声腔的本征频率. 对l=2的情况，当SO(3)对称性破坏但保留SO(2)对称性时，实验发现原本简并的3个本征频率分裂成2个. 当进一步破坏SO(2)对称性仅保留离散的反射对称性时，3个本征频率完全分开. 利用COMSOL Multiphysics数值模拟，验证了实验现象，同时指出了实验中发现的某些本征频率对扰动不敏感的原因：这些态的本征模式具有奇宇称，在瓶颈附近的振幅很小.

利用简单数学原理分析引力波数据

陈雪玲, 孙浩然, 张蕴熙, 胡一鸣

2025, 44(3): 106. doi:10.16854/j.cnki.1000-0712.240268

摘要 ( 77 )

PDF (820KB) ( 70 )

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自从2015年激光干涉引力波天文台探测到引力波事件GW150914以来，人类打开了用引力波手段探知宇宙的新窗口，引力波研究也成为了物理学与天文学的科研热点，也促使3位引力波专家获得了2017年的诺贝尔奖. 虽然引力波研究的前沿会应用到数值相对论、大规模高性能数值计算等技术，但是引力波数据分析的核心原理其实极为简单. 在本文中，我们尝试展示利用简单数学原理分析引力波数据：通过短时傅里叶变换，将时域的引力波数据转化成时间-频率域；将双黑洞旋近信号的时间-频率关系与数据进行匹配，获取双致密星质量、并合时刻的最可几值. 与LIGO官方结果的对比表明，相关方法虽然精度有限，但在噪声表现较为理想时，上述简单数学原理可以有效实现对引力波源物理参数的提取.

基于Unity的迈克耳孙干涉实验仿真

刘斌, 赵鹏林, 宋叶, 王增旭, 李永涛

2025, 44(3): 112. doi:10.16854/j.cnki.1000-0712.240323

摘要 ( 57 )

PDF (673KB) ( 41 )

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细致研究了迈克耳孙干涉仪的物理模型，在此基础上构建了基于Unity平台的迈克耳孙干涉实验虚拟仿真软件.通过整合Unity的物理引擎和自定义算法，该仿真软件精确模拟了迈克耳孙干涉仪的实验过程，可对反射镜位置、镜面方向和拉杆等进行调节，并呈现对应的干涉图样的动态变化.仿真软件可提升用户的学习体验，并有助于深化对光学原理的理解.测试结果表明，该软件的仿真结果及精度与真实实验一致，为迈克耳孙干涉仪实验的教学提供了实用的工具.

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