大学物理

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1. 基于知识图谱的“大学物理”AI课程建设与实践

张红光, 李永涛, 杨志红, 陈伟, 毕岚, 董慧媛, 王允辉, 单俊豪

大学物理 2025, 44 (5): 41-. DOI: 10.16854/j.cnki.1000-0712.240396

摘要（1065）

PDF（pc）（1307KB）（1237）

当前，人工智能（AI）正深刻变革教育.我校“大学物理”团队在智慧树平台创新推出知识图谱驱动的AI课程，构建“师/生/机”互动新教学模式.本文概述师-机-生协同教学体系的设计理念、AI课程的建设、实施、成效及反思情况.从实践效果看，基于知识图谱的学习者画像及自适应学习为学生提供个性化的学习能够有效提高自主学习性和学习成绩，为理工科基础课AI课程建设提供了经验参考.

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2. 探讨定速旋转的均匀带电球壳激发的磁场

朱孟正, 赵春然

大学物理 2025, 44 (5): 11-. DOI: 10.16854/j.cnki.1000-0712.240452

摘要（1046）

PDF（pc）（841KB）（403）

本文运用电磁场理论的基础知识，研究定速旋转均匀带电球壳在全空间的磁场分布．首先由于电流分布具有对称性，对应的磁场呈轴对称性；直接根据毕奥-萨伐尔定律写出了某点磁感应强度的两个分量，并进行了数值模拟，计算球壳内、外的磁场，结果显示球壳内部为均匀磁场．其次，利用磁标势和磁多极方法分别讨论了该磁场，通过对比球壳外磁场发现了该问题中电流分布具有一定的特殊性．最后讨论了单根通以恒定电流的细导线紧致无堆叠的缠绕而成的球壳激发的磁场．

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3. 大语言模型在大学物理实验课程中的应用探究

姜文印, 刘宸宇, 王宇兴, 王伟

大学物理 2025, 44 (7): 36-. DOI: 10.16854/j.cnki.1000-0712. 240389

摘要（1031）

PDF（pc）（1238KB）（215）

本文针对上海交通大学物理实验课程存在的教学难点问题，基于开源LlaMA2-7B大模型，设计出辅助学生学习的专门面向物理实验领域的生成式AI大模型——物理教育聊天机器人Chat Physics education（ChatPED）.在课程实施阶段发布给上课学生使用，并进行了对照试验通过对学生的问卷调查（N=200）发现，实验组学生普遍认为（75%）该模型对其学习有帮助，绝大部分同学（90%）希望在其他课程中继续使用.进行了双盲审成绩批改，实验组学生相较于对照组学生的最终成绩提高了0.2分（总分10分）.显著性P检验结果P<0.01,可以认为实验组学生成绩的提高与使用模型有关.我们的研究提供了AI技术应用在具体教学场景中的案例，具有一定的实践意义.

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4. 用物理学思维点亮人工智能的未来——解读 2024 年诺贝尔物理学奖

吴迪, 马滟青

大学物理 2025, 44 (4): 1-. DOI: 10.16854/j.cnki.1000-0712.250073

摘要（939）

PDF（pc）（383KB）（953）

2024年诺贝尔物理学奖授予了物理学家、生物学家霍普菲尔德(John J. Hopfield)和计算机科学家辛顿(Geoffrey E. Hinton)，以表彰他们在人工神经网络领域的基础性发现和发明.很多人对此感到惊讶，疑惑诺贝尔物理学奖为何授予人工智能方向，甚至有人发出 “物理学不存在了”的疑问.本文将深入剖析物理学与人工智能之间千丝万缕的联系，解读本次诺贝尔物理学奖颁发的原因，以及探讨其对未来产生的深远影响.

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5. 天体运动轨道方程及公转速度

王尧程, 孟军霞

大学物理 2025, 44 (9): 103-. DOI: 10.16854/j.cnki.1000-0712.240542

摘要（923）

PDF（pc）（540KB）（203）

目前，计算天体公转轨道及公转速度的过程涉及到许多高级数学概念和物理原理，对于青少年理解难度较大.为方便对天体运动的深入理解，本文利用更易理解的圆锥曲线及其性质展开对天体运动轨道方程及公转速度的讨论与计算，得出简洁的公转速度公式，且相较于非纯理论的计算方法，不仅对计算过程的描述更为精确，而且归纳了所有速度区间下的运动情况，体现了数学在物理学中的重要性，希望能激发青少年对于物理学的热爱．

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6. 数字化赋能物理实验教学——Tracker软件的应用探索

成立贤, 李明洋, 王佳, 杨紫江

大学物理 2025, 44 (5): 92-. DOI: 10.16854/j.cnki.1000-0712.240270

摘要（895）

PDF（pc）（1267KB）（1331）

Tracker是一款开源的视频分析和建模软件，在具体的物理实验教学中合理引入Tracker软件对实验进行优化设计，不仅可以加强实验课程的数字化建设，还能激发学生对实验的探索兴趣.本研究结合杨氏双缝干涉实验测激光波长、单摆测量重力加速度、探究单摆测量重力加速度实验中摆角θ对测量结果的影响这三个实验，探究了Tracker软件在物理实验中距离测定、轨迹追踪、角度测量三个方面的应用.实验结果表明：Tracker软件能够提高杨氏双缝干涉实验中相邻亮条纹间距Δx的测量精度、更精准地测出单摆测量重力加速度实验中单摆的周期，对于探究单摆测量重力加速度实验中摆角θ对测量结果的影响的实验中难以直接测量的摆角θ也有较好的测量结果.因此，将Tracker软件引入实验可以有效降低人眼观察所造成的视差以及实验中的测量误差，并且能精准测量角度等在实际场景中难以精确测得的物理量.

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7. 第54届国际物理奥林匹克竞赛理论试题3介绍与解答

蒋硕, 郭旭波, 安宇, 张留碗, 阮东

大学物理 2025, 44 (5): 105-. DOI: 10.16854/j.cnki.1000-0712.240468

摘要（823）

PDF（pc）（840KB）（252）

本文介绍第54届国际物理奥林匹克竞赛理论考试的第三题.该题的名称是黑寡妇脉冲星，表面上与2024年亚洲物理奥林匹克竞赛理论第三题类似，而本质是关于双星体系的吸积与单个气体星体的平衡的典型力学题.题目分成两个部分，第一部分关注双星体系质量的转移（吸积）；第二部分是单个气体星体，在气体压力和重力作用下的平衡问题.题目利用的是力学中的典型模型，整体中规中矩，这也是本届理论题目的共性.

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8. 以范德瓦尔斯气体为工质的otto循环过程讨论

韩其成, 陆建隆

大学物理 2025, 44 (4): 27-. DOI: 10.16854 /j.cnki.1000-0712.240267

摘要（775）

PDF（pc）（482KB）（241）

本文讨论了以范德瓦尔斯气体为工质，以多方过程替代绝热过程的otto循环，给出了该循环过程的输出功和效率，并分析了多方指数n和压缩比r对循环参数的影响，通过数值计算的方法，分析得出，多方指数和压缩比都对循环参数有影响，且当多方指数的数值等于绝热指数时，循环输出功和效率最大.

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9. 非厄米哈密顿量的厄米理论分析

张莲莲, 范璐宁, 江翠, 李家锐

大学物理 2025, 44 (4): 39-. DOI: 10.16854/j.cnki.1000-0712.240392

摘要（734）

PDF（pc）（131KB）（178）

本文在量子力学教学改革探索与实践中加入了非厄米部分的讨论，将非互易哈密顿量的矩阵拆解为厄米哈密顿量和非互易微扰两部分，利用非简并微扰方法求解了能量本征值和本征态，发现所得结果与直接将非互易哈密顿量对角化后做展开的结果完全一致．这说明非互易哈密顿量与厄米量子理论存在一定联系．相信本文结果有助于进一步理解非互易哈密顿量的物理性质．

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10. GaN PN结的耗尽区宽度研究

孙辰洋, 杨沛珑, 刘波, 汪莱

大学物理 2025, 44 (4): 21-. DOI: 10.16854/j.cnki.1000-0712.240372

摘要（730）

PDF（pc）（742KB）（102）

耗尽区宽度是PN结一项基本参数．在固体物理教科书中，耗尽宽度的计算通常仅限于 Si 和 Ge 等材料，缺乏对 GaN 等宽带隙半导体材料PN 结的分析．耗尽区宽度与耗尽区电荷密度息息相关．Si、Ge材料的杂质电离能很低，常温下完全电离，耗尽区电荷密度显然等于杂质浓度．而p-GaN中受主杂质Mg的电离能约220~270 MeV，常温下部分电离．所以，GaN PN结耗尽区宽度将由杂质浓度与电离程度共同决定．本文首先计算了GaN材料中不同杂质在不同浓度下的电离程度．结果表明，为获得足够空穴浓度，p-GaN重掺杂至1019 cm-3的条件下，Mg电离程度确实很低．然后，利用一款基于Scharfetter-Gummel法求解漂移扩散方程的开源求解器仿真计算得出GaN PN结耗尽区宽度、杂质电离程度等重要参数．根据仿真结果，GaN PN结耗尽区中杂质电离程度大幅提升．因此，可以使用掺杂浓度近似计算GaN PN结耗尽区宽度．本文的研究补充了固体物理教材中关于GaN PN结的内容，有助于后续课程的学习．

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11. 磁机械振荡器动力学研究

阮浙挺, 沈益波, 杨志华, 祝宇红, 沈佳伟

大学物理 2025, 44 (4): 74-. DOI: 10.16854 /j.cnki.1000-0712.240345

摘要（726）

PDF（pc）（368KB）（121）

本文构建了磁机械振荡装置，并对影响弹簧片振动的相关物理参数及振动的动力学过程进行了系统研究，实验发现劲度系数、固有频率、磁力大小、磁铁质量是影响振动的主要因素；修正已有的简谐振动方程，引入阻力、磁力等相互作用力，求解了弹簧片的合振动方程，并对上述方程进行计算机数值求解，求解结果与实验结果相吻合.

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12. 蒙特卡洛方法在电磁学静电平衡教学中的应用

李昀泽, 余伟超

大学物理 2025, 44 (4): 96-. DOI: 10.16854/j.cnki.1000-0712.240358

摘要（722）

PDF（pc）（388KB）（185）

导体电荷分布的唯一性是静电场中最本质的性质之一，也是电磁学其中一个教学难点，表述为：孤立导体在静电平衡状态下，电荷唯一确定分布在表面.有不少研究者曾经得出很多不同导体表面电荷的分布关系，但是，这些解析结果仅对一些对称性较高的体系有效且仅适用于电荷连续分布情形.本研究中创新性地使用了蒙特卡洛退火算法来搭建计算机模型，尝试验证椭球状导体中达到静电平衡后离散电荷在导体表面的面密度分布，与已有理论结果符合.该方法可拓展应用于任意形状导体中离散电荷的静电平衡分布问题，为静电问题的数值模拟提供了一种新的算法，同时也为电磁学课程实践提供了一种新的教学手段.

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13. 任务导向型大学物理教学模式研究——以太原理工大学为例

刘一凡, 刘红利

大学物理 2025, 44 (7): 89-. DOI: 10.16854/j.cnki.1000-0712.240517

摘要（713）

PDF（pc）（870KB）（243）

现行的大学物理教学，面临课程挑战性不足、个性化教学缺失、思政融合度低等问题．本文创新提出“任务导向型BOPPPS教学模式”，以物理任务为核心，优化“导入、前测、课中、参与学习、后测和总结”六大环节，构建“一中心、两平台、三融合”的学习共同体，整合教材与前沿案例、线上线下资源及思政教育，实现优质学习的目标．通过在太原理工大学物理教学中践行该模式，显著提升了学生解决实际问题的能力和学习兴趣．

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14. 基于Matlab的大学物理问题驱动式教学

刘嘉宁, 张景璐

大学物理 2025, 44 (7): 72-. DOI: 10.16854/j.cnki.1000-0712.240273

摘要（711）

PDF（pc）（976KB）（194）

Matlab因其可视化、仿真等功能逐渐在大学物理教学中得到广泛应用.目前Matlab辅助大学物理教学的研究主要集中于教师对Matlab的使用，相对忽视了学生的主观能动性.本研究以“如果万有引力遵从j次反比律，行星将如何运动”问题为例设计基于Matlab的大学物理问题驱动式教学，引导学生参与程序设计，从而帮助学生构建物理图像，提高问题解决能力，培养发散思维，建立质点系动力学的知识结构.

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15. 关于磁相互作用中交换耦合的教学拓展讨论

杨洪新

大学物理 2025, 44 (7): 1-. DOI: 10.16854/j.cnki.1000-0712.250045

摘要（702）

PDF（pc）（782KB）（416）

磁性材料中的交换耦合机制是理解磁相互作用的核心概念，通常以对称性耦合的海森堡交换相互作用为主.然而，近年来的研究揭示了反对称交换耦合，即Dzyaloshinskii-Moriya相互作用(DMI)，在形成手性磁结构(如斯格明子和Néel磁畴壁)方面具有独特的物理意义，并在自旋电子学和信息存储中展现出广阔应用.本文通过引入DMI的物理起源、基于第一性原理的计算方法、典型材料中的应用和测量技术，拓展了对磁相互作用的教学讨论，为学生理解现代磁性材料的前沿应用提供了理论和实践支持.

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16. 基于光栅衍射探究光盘的光栅结构和存储容量

刘林峰, 王芳, 张睿, 耿爱丛, 李熊

大学物理 2025, 44 (4): 103-. DOI: 10.16854 /j.cnki.1000-0712.240192

摘要（678）

PDF（pc）（379KB）（174）

本文利用光栅衍射研究了光盘的等效光栅结构，通过对比反射衍射与透射衍射的测量结果，详细分析了使用不同波长激光器的测量误差，从而探明了光盘的微观结构，并且分析了切向光斑未出现的原因.在此基础上，利用透射衍射实验，并使用极坐标算法精确测得光盘的存储容量，最终测得CD和DVD的存储容量与其标准值的最小误差分别为0.0014%和0.38%.

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17. 人教版教材中一验证动量守恒实验装置的系统误差分析

李梅, 王峰, 姜兵, 邵云

大学物理 2025, 44 (5): 112-. DOI: 10.16854/j.cnki.1000-0712.240322

摘要（663）

PDF（pc）（1061KB）（191）

文章针对新版人教版选择性必修一教材中的研究斜槽末端小球碰撞时的动量守恒实验装置，分入射小铁球与轨道槽底接触与不接触这两种情况，推导出小铁球在与槽端静止的小玻璃球碰撞后的边滚边滑运动后，其出水平槽口速度的相对增加量（相对于没有摩擦力的理想情形），以及由此给本动量守恒实验所带来的系统相对误差．理论计算结果均表明，这两者的数值均普遍较大，其中当入射小铁球与轨道槽底不接触时，这两者的数值更大．入射小铁球与轨道槽底不接触的实验误差结果与相应的理论误差结果大致吻合，两者均显示出新版教材上的这个实验装置确实存在较大的系统误差，建议替换为市场上在售的完整的碰撞实验器装置为宜，经测后者的实测相对误差仅在±2%以内．

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18. 利用弱耦合摆观察研究拍现象的实验方案探究

庞玮, 李晨硕, 郎松峰, 刘艳, 龙纪超, 许嘉豪, 吴福根

大学物理 2025, 44 (4): 13-. DOI: 10.16854/j.cnki.1000-0712.240287

摘要（652）

PDF（pc）（615KB）（125）

为拓展大学物理实验的实验内容和实验手段，设计了一套利用数字化传感器和数据采集器对两个弱耦合摆的振动模式进行实验研究的方案.该实验利用相较于弹簧更易于实现的手段实现了两个物理摆之间的耦合，并更易于调节其耦合强度.利用数字化转动传感器和数据采集器能完整记录该耦合系统的完整运动，观察并分析其中的简正模和拍现象，验证线性系统解的叠加原理.该方案易于实现，现象直观，结果中包含诸多物理现象可供分析讨论，并可与大学物理及高等数学相关知识点连接，能有效提高学生的自主探索热情，锻炼学生数据分析能力，拓展相关实验的教学深度.

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19. 音叉受迫振动与共振实验中幅频响应曲线的研究

任小芳, 徐志林, 孙琪真, 闫志君, 张炯, 杨光

大学物理 2025, 44 (7): 30-. DOI: 10.16854/j.cnki.1000-0712.240326

摘要（636）

PDF（pc）（1004KB）（155）

大学物理实验音叉受迫振动与共振中，现有教材和文献认为，采用电磁线圈作为传感器测得的音叉振动幅频响应曲线理论上是速度共振曲线，但实测幅频响应曲线与理想速度共振曲线的特性存在差异.本文理论分析并实验验证了实测幅频响应曲线与理想速度共振曲线之间特性差异的成因，结果表明，实测音叉作受迫振动的幅频响应曲线是在速度共振曲线的基础上，叠加了位移共振曲线的特征，该特征主要表现为：阻尼越大，音叉共振实验系统的共振频率越小；接收线圈到音叉臂的初始距离越近，位移共振对感应电压的贡献越大，从而共振频率随阻尼变化的斜率越大.本文研究结果对深入理解音叉受迫振动与共振实验涉及的物理规律具有重要意义，对完善大学物理实验教材中的受迫振动与共振实验也有所帮助.

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20. 四球探秘——隐藏在一道高中物理竞赛题背后的秘密

陈奕帆, 杨欢

大学物理 2025, 44 (5): 58-. DOI: 10.16854/j.cnki.1000-0712.240228

摘要（635）

PDF（pc）（1072KB）（263）

目前，在我国本科教学过程中，就物理学科而言，主要是给出“完美”的科学定理以及可以解析算出的习题.而恰恰某些不能解析求解的问题，能折射出同学对整个问题的理解，并可激发同学的创造力.本文针对第39届全国中学生物理竞赛复赛（备用卷）中的一道刚体力学题进行了深入分析，并结合数值计算.本文发现当球D的初始转速很小时，原参考答案的结果是合理的.此外，本文研究了球D的初始转速增大时出现的球A角速度振荡现象.通过不动点分析，估计了从线性演化到阻尼振荡转变点的临界初始转速.本文还对其中出现的一些奇异现象进行了讨论，并指出滑动摩擦力至静摩擦力的突变为稳态的出现提供了动力学对应.

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