大学物理

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1. 计算惯性力做功的理论教学及其应用

陈驰一

大学物理 2024, 43 (11): 26-. DOI: 10.16854/j.cnki.1000-0712.240156

摘要（1103）

PDF（pc）（548KB）（383）

本文针对力学教学中遇到的惯性力做功的计算问题，介绍了惯性力的一种基于参考系物理的等价描述，以此为基础重新讨论了惯性力的做功.首先，文章通过把参考系的动力学归结到定义它的参考物上，巧妙地推导出牛顿动力学可以直接在平动(非转动)参考系适用的一个对称形式的必然描述；而惯性力也通过参考物的真实受力因此得到了理论计算的表达式.其次，原则上在牛顿动力学的传统形式中只要对受力项作从全部受力到相对受力的替换，即可扩展到平动参考系而依然保持成立.由此本文重点给出了计算惯性力做功的新方案.最后作为检验，重新审查了惯性力做功的典型教学专题并得到自洽的结果.

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2. 固体物理学中的贝里曲率

袁喆, 周仕明

大学物理 2024, 43 (5): 1-. DOI: 10.16854/j.cnki.1000-0712.230289

摘要（942）

PDF（pc）（808KB）（925）

固体中周期性势场和布洛赫定理赋予贝里曲率新的内涵，对于布里渊区k点处第n个能带，其布洛赫函数的调幅因子为unk(r)，则相应贝里曲率Ωnk=×Ank，其中贝里联络Ank=〈unk|ik|unk〉.如果晶体同时存在中心反演和时间反演对称性，贝里曲率在倒空间处处为零.若上述对称性被打破，或者存在自旋轨道耦合，或者存在能带交叉，则存在非零的贝里曲率.贝里曲率的存在使布洛赫电子产生与外电场垂直方向的反常速度，由此产生本征反常霍尔效应和自旋霍尔效应以及非线性霍尔效应.本文有助于加深对布洛赫波函数以及玻尔兹曼输运方程的理解.

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3. 普朗克常数 h 的四个来处

曹则贤

大学物理 2024, 43 (11): 1-.

摘要（845）

PDF（pc）（1040KB）（471）

普朗克常数 h 是普适物理常数之一，是量子理论的标签。普朗克常数 h的来处包括普朗克推导黑体辐射谱分布、爱因斯坦诠释光电效应、普朗克 (包括玻尔、玻色)的相空间量子化以及薛定谔挽救外尔的引力-电磁理论的努力，其角色包括仅作为常数因子使得 hν 具有能量量纲进而使得 hν/kT 是无量纲量，自身作为作用量子、相空间体积单元或者角动量单元 ( 以 ℏ=h/2π 的面目作为作用-角共轭变量对中的作用的单位，或者角动量算符的单位) ，以 hν 的面目作为光能量量子，以及以ih 或 iℏ 的面目出现在波动理论中。不同来处的普朗克常数 h间的关联恰恰反映了它的普适性。顺便说一句，普朗克、爱因斯坦在使用 hν 时都没伴随有革命性的观念

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4. “四大力学”的错误说法可以休矣

曹则贤

大学物理 2024, 43 (8): 1-. DOI: 10.16854/j.cnki.1000-0712.240138

摘要（697）

PDF（pc）（448KB）（682）

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5. 静止空气中球形雨滴收尾速率及斯托克斯黏性阻力使用条件

邵云

大学物理 2024, 43 (3): 25-. DOI: 10.16854/j.cnki.1000-0712.230210

摘要（684）

PDF（pc）（847KB）（284）

文章利用光滑球体空气阻力系数较为准确的Wallis公式，逐步地分析计算出20 ℃的静止空气中不同半径球形雨滴的收尾速率，并与部分实际测量值进行比较，指出差距的原因.文章又以Wallis公式为标准，估计出在精度要求不是太高的情况下，光滑球体的斯托克斯一次方黏性阻力公式大致适用于Re<0.1的雷诺数区间，其间的相对误差<3.0%.这对20 ℃的静止空气中雨滴下落时斯托克斯公式始终能够成立的半径要求便是r<1.9×10-5 m，可见斯托克斯公式完全不能适用于通常大小的雨滴.文章指出，撰文的目的在于对球形模型下雨滴的收尾速率进行较为精确的计算，以弥补其他某些文献的不足，而所使用的Wallis拟合公式相对最值得信耐.

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6. 关于太阳能电池若干问题的讨论

张智明, 何珊, 孙铁囤

大学物理 2024, 43 (5): 25-. DOI: 10.16854/j.cnki.1000-0712.230209

摘要（668）

PDF（pc）（763KB）（244）

本文探讨了太阳能电池研究和教学中的3个问题：太阳能电池的核心是一个PN结，但为什么太阳能电池的伏安特性曲线与普通PN结的伏安特性曲线看起来相差甚远？太阳能电池的伏安特性曲线的变化细节到底是怎么样的？太阳能电池电路的输出电流、输出电压及输出功率是怎样随负载电阻变化的？本文的研究结果表明:太阳能电池的伏安特性曲线与普通PN结的伏安特性曲线之所以看起来相差甚远，是因为它本质上是太阳能电池电路负载电阻的伏安特性曲线，而不是太阳能电池中PN结的伏安特性曲线；在太阳能电池的伏安特性曲线中，随着电压的增大，电流是单调减小的；对确定的太阳能电池电路，随着负载电阻的增大，输出电流单调减小，输出电压单调增大，但输出功率不是单调变化的，而存在一个最佳功率值，这个最佳功率值对应一个最佳负载电阻值.

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7. 德布罗意物质波关系式的推导

汪洋

大学物理 2024, 43 (5): 22-. DOI: 10.16854/j.cnki.1000-0712.230226

摘要（639）

PDF（pc）（762KB）（748）

本文通过2种直观的方式推导出物质波动量-波长关系式. 第1种方式利用洛伦兹变换得出运动粒子“首尾”两端固有时间差，进而通过其对应的相位差以及粒子在空间占据的长度得出相应的物质波波长；第2种方式通过计算与粒子相位变化相适配的行波，得出物质波动量-波长关系式.这两种推导方式较为直观，有助于初学者理解物质波的物理图像.

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8. 关于磁荷及其磁场性质的教学拓展讨论

付春娥, 魏少文

大学物理 2024, 43 (8): 7-. DOI: 10.16854/j.cnki.1000-0712.230355

摘要（557）

在物理学中，因为电与磁的对称性，物理学家们一直坚信磁荷(或磁单极)也如电荷一样存在于自然界中.虽然在实验上尚未发现磁荷存在的证据，但对于它的讨论和探索一直没有停止过.本文初始出发点试图研究含磁荷的Maxwell方程组的协变形式.为此，我们假设磁荷产生的磁场Bh与变化的电场及传导电流所产生的磁场Bt是两种不同性质的场.针对磁荷存在时的Maxwell方程组，我们发现通过对Bh引入一定的约束条件，可以将此时的Maxwell方程组分解成无磁荷时的Maxwell方程组及Bh所满足的3个约束方程. 无磁荷存在时的Maxwell方程组已经被证实天然地满足狭义相对论的协变性,本文将不再详细讨论. 我们将利用所得到的关于Bh的3个方程分析磁荷及其磁场的相关性质.

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9. 阿秒脉冲激光与电子动力学——解读2023年诺贝尔物理学奖

魏博宁, 汪礼锋

大学物理 2024, 43 (11): 7-. DOI: 10.16854/j.cnki.1000-0712.240349

摘要（544）

PDF（pc）（1056KB）（667）

2023年诺贝尔物理学奖授予了三位实验物理学家，以表彰他们在“产生用于研究物质中电子动力学的阿秒光脉冲实验方法”中所做的突出贡献. 针对阿秒脉冲激光的重要意义及应用，本文在简述人类探索超快过程发展的基础上，解读了阿秒脉冲激光的产生原理与测量方法，阐述了阿秒脉冲激光的典型应用，最后展望了未来的发展.

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10. 彩虹十问——一通物理奥赛试题的另一张面孔

王思慧, 周惠君

大学物理 2024, 43 (3): 79-. DOI: 10.16854/j.cnki.1000-0712.240025

摘要（528）

PDF（pc）（947KB）（830）

本文回顾了彩虹理论的发展历史，讨论了彩虹观测与实验过程中可能遇到的一些问题.提出了一些演示彩虹等现象的方法.

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11. 动生电动势一题多问和一问多解的解析

耿法豪, 范鹏东, 张孟

大学物理 2024, 43 (3): 45-. DOI: 10.16854/j.cnki.1000-0712.230181

摘要（524）

PDF（pc）（852KB）（639）

大学物理是大学理工科类的一门重要基础课程，工科专业以力学基础和电磁学为主要授课．其中动生电动势的教学是电磁学的重点和难点，学生对该类题目的解答错误较多．本文通过动生电动势典型例题的一题多问以及一问多解的方式对平动切割和转动切割情况下的动生电动势进行详细分析计算，层层递进深入，以此让学生能深刻理解其中所包含的物理以及微积分知识点.

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12. 基于Mathematica的天体运动模拟

于巾荔, 丛亚轩, 李嘉懿, 周兴玉, 洪许海

大学物理 2024, 43 (3): 67-. DOI: 10.16854 /j.cnki.1000-0712.230062

摘要（506）

PDF（pc）（873KB）（894）

天体运动是力学和理论力学课程的基本内容之一. 本文借助数学软件Mathematica，基于经典力学相关公式和定律，对行星、周期彗星和双星系统的运动做了精确的动态模拟，所得动态效果图形象生动，有助于学习者建立清晰的物理图像，增加对行星、周期彗星和双星系统的直观认识，增进对天体运动规律的深入理解. 本研究通过Mathematica编程将教材上的理论知识可视化，开发了新的物理教学资源，同时也展现了Mathematica软件巨大的物理教学资源开发潜力.

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13. 留数法在计算无穷级数和的应用

杨师杰

大学物理 2024, 43 (8): 4-. DOI: 10.16854/j.cnki.1000-0712.230445

摘要（501）

PDF（pc）（518KB）（588）

本文通过量子统计的玻色/费米分布函数,利用留数定理引入一种求无穷级数和的方法.我们采用该方法求出几种无穷级数的和,并在此基础上求得一些函数的米塔-列夫勒展开式.

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14. 思政背景下大学物理课程翻转课堂教学模式的探索与实践——以光学仪器分辨本领为例

张颖, 刘文泼, 刘鸿鹏, 杨雄

大学物理 2024, 43 (06): 46-. DOI: 10.16854/j.cnki.1000-0712. 230342

摘要（495）

PDF（pc）（1216KB）（569）

本文针对翻转课堂教学模式，结合三段式教学手段，围绕课前学习、课中讨论、课后拓展开展教学设计，对课前学习线上内容设计思路以及与实体课堂对接方式进行了深入探讨．通过传统文化、生活案例和热点事件将思政元素有机地融入到课程中，将抽象的物理概念变得更加鲜活直观、贴近实践．采取这套方案，课堂抬头率、学生参与度、问题答对率均有较大改善，通过调查问卷的形式，从教学模式可行性、教学方式可行性、内容可行性三个方面对学生认可度进行调研，发现学生认可度极高，此方案对教学质量的提高具有一定的参考价值．

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15. 基于物理原理的声源定位实验设计

陈星辉, 杨媛, 邓杰, 苏董业, 陈光伟

大学物理 2024, 43 (3): 20-. DOI: 10.16854 /j.cnki.1000-0712.230102

摘要（495）

PDF（pc）（893KB）（445）

本文使用信号发生器、直流稳压电源、数字示波器、直流电机、四元麦克风线阵、数显角度尺、扬声器等常规物理实验仪器和部分自制装置搭建了一个室内声源定位系统，利用直流电机带动四元麦克风线阵和数显角度尺同轴旋转，将四元麦克风线阵接收到的声波信号经放大和滤波处理后输入示波器，根据示波器上利萨如图形的形态判断声源方位，由数显角度尺测量线阵的转动角，再利用三角函数计算出声源的位置坐标. 实验结果表明，此方法进行声源定位精度高，误差小，成本低.

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16. 冰淇淋顶端尖状凸起形成过程的流体力学原理分析

金子路, 鲁申怡, 彭士香

大学物理 2024, 43 (11): 74-. DOI: 10.16854/j.cnki.1000-0712.240015

摘要（490）

PDF（pc）（828KB）（223）

本文从生活中软冰淇淋机生产的甜筒顶端常形成尖状凸起的现象出发，以泊肃叶定理作为理论依据，建立冰淇淋的形成模型. 模型中假设冰淇淋原料为成分均一的、不可压缩的、但具有黏性的流体. 我们从制作过程、温度变化和操作员手法影响的角度对假设合理性进行分析，借助计算机模拟软件简化流体模型，由此推导出冰淇淋顶端尖状凸起形成过程，即在流管中心处冰淇淋受到的粘滞阻力最小，相较于其他位置更容易下落，最终形成冰淇淋顶端的尖状凸起. 这一模型的建立与原理的探究，能够更好地理解与应用流体力学原理、更好地理解生活中的现象与推动工业生产进步.

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17. 从一道全国中学生物理竞赛力学题谈起

周智武, 刘文彪

大学物理 2024, 43 (11): 16-. DOI: 10.16854/j.cnki.1000-0712.240109

摘要（485）

PDF（pc）（591KB）（283）

从一道中学生物理竞赛题出发，深入研究了重力作用下滑块在光滑半球面上的运动问题. 在采用最简单的守恒定律方法解答原题设问的基础上，应用牛顿力学通过对滑块进行受力分析，推导出了滑块的动力学方程. 在此基础上从拉格朗日力学、哈密顿力学和引力的弱场近似理论的视角对该问题进行深入探究，推导出了与牛顿力学方法所得结果一致的动力学方程. 随后，对得到的动力学方程进行数值求解，绘制了滑块的运动轨迹. 最后，将重力作用下滑块在光滑半球面与竖直光滑圆锥面上的运动轨迹进行对比，分析了两者的异同.

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18. 利用作用量证明静电磁场唯一性定理

黄振锐, 石寰宇, 苗荣欣

大学物理 2024, 43 (8): 13-. DOI: 10.16854/j.cnki.1000-0712.230423

摘要（485）

PDF（pc）（514KB）（208）

静电场唯一性定理是电动力学的重要内容.它是指给定研究区域内的电荷分布及电介质性质，给定边界上的电势或者电势的法向导数，那么空间的电场分布唯一确定(静磁场类似).它的证明方法很巧妙，但证明技巧有什么物理内涵？怎样推广到一般的方程和边界条件？大部分教材并未涉及.本文发现作用量与唯一性定理的证明密切相关，只要构造出满足相应运动方程和边界条件的作用量，就可以证明唯一性定理.本文进一步讨论了运动方程不是泊松方程的情况以及破坏唯一性定理的边界条件.

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19. 探究能斯特公式相关的示意图

苏山河, 陈镜伊, 陈金灿

大学物理 2024, 43 (8): 10-. DOI: 10.16854/j.cnki.1000-0712.230378

摘要（484）

PDF（pc）（495KB）（183）

本文指出教科书中与能斯特公式相关的多种示意图是不等效的，其中一些可接受的，一些是不完善的，一些是不正确的.进而给出能斯特公式相关的完整示意图，可弥补多本教科书中的不足之处.所得结果有助于加深对能斯特公式的理解和对低温化学反应的了解.

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20. 利用激光衍射法测量超细丝的直径

刘俊, 周荣浩, 赵嵩卿

大学物理 2024, 43 (7): 46-. DOI: 10.16854/j.cnki.1000-0712.230376

摘要（479）

PDF（pc）（679KB）（238）

本文介绍了一种根据激光细丝衍射原理测量直径小于12 μm超细丝直径的方法.本方法通过对细丝衍射的中央明条纹的衍射强度进行最小二乘法拟合，可获得高精度的细丝直径. 本文利用三种不同波长的激光对碳纤维单丝和新疆长绒棉纤维进行实验，利用精度较低的教学光强探测器和智能手机的光传感器收集光强数据，可获得精确的实验结果.

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