大学物理

以“电磁学”为例谈专业课程思政成为滋润学生成长沃土

吴小山, 孙亮, 张海军, 刘俊明, 忻蓓

2021, 40(3): 1-3. doi:10.16854 /j.cnki.1000-0712.200328

摘要 ( 2883 )

PDF (914KB) ( 1186 )

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本文以“电磁学”课程为例，讨论了做好课程建设，把唯物主义、从实践中来到实践中去、实事求是等思政元素融入专业课程教学的方法，把“三个面向”植入学生心田，使之在不知不觉中生根发芽，推进课程育人.

球状物体作微形变时弹性势能的研究

于凤军, 汤振杰, 田俊龙, 张希威

2021, 40(3): 4-7. doi:10.16854 /j.cnki.1000-0712.200176

摘要 ( 1336 )

PDF (1192KB) ( 314 )

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研究一个弹性球在保持体积不变的前提下，形变为长旋转椭球时的弹性势能. 首先通过最小势能原理和物理条件确定位移函数，然后根据弹性势能密度-应变-位移三者之间的关系，通过积分计算得到弹性势能，并且进行了有益的讨论.

平行板电容器的尺寸效应

曹小鸽, 杨杨

2021, 40(3): 8-11. doi:10.16854 /j.cnki.1000-0712.200308

摘要 ( 1392 )

PDF (875KB) ( 914 )

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本文分别研究了平行圆形板和矩形板电容器的电容随其尺寸变化的规律.对于每种电容器，首先假设电荷在极板上

均匀分布，由此能较简便地得出电容的近似值，然后用Ansoft 软件作有限元仿真，得出更精确的数值.通过对比发现，用均匀带

电近似得出的结果能够正确地反映电容随其尺寸变化的趋势，优于教科书中的平行板电容器公式; 但其数值偏小，原因在于

电荷在极板上并非严格地均匀分布，而是中间少、边缘多.

非相对论下均匀斜交电磁场中正电荷的运动状况分析

邵云, 徐诗烨

2021, 40(3): 12-18. doi:10.16854 /j.cnki.1000-0712.200372

摘要 ( 1119 )

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文章对非相对论下均匀斜交电磁场中的正电荷+q 进行了动力学矢量分析，将其运动分解为沿磁场方向的匀加速直

线运动、垂直于电、磁场方向的匀速直线运动和垂直于磁场方向的匀速率圆周运动，进而推理出电荷完整的运动学方程; 然后

将运动学方程进行“约化”和简化，作出不同初速度下电荷在xy 平面内的投影运动轨迹并加以分析，指出轨迹的若干特点及

其内在的原因; 举例作出电荷的空间轨迹图并指出其中蕴含的共性; 对均匀正交电磁场情形下的3 种特殊情况进行了讨论.此

外，文末还指出本文解法的核心思想是参考系的切换.

“电动力学”中的矢量及矢量微分运算浅析

胡响明

2021, 40(3): 19-24. doi:10.16854 /j.cnki.1000-0712.200167

摘要 ( 1813 )

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物理学专业四大力学中，相对而言常有学生反映学习《电动力学》面临的难度明显大一些.本文根据教学经历对此

作一个粗浅的分析，表明难点就在于是否使初学者充分认识矢量及其矢量微分运算的特殊基础地位.因为“电动力学”要同时

研究电磁系统的时间演化和空间局域作用，所以从基本方程的形式到方程的求解，从恒定场到电磁场辐射，各部分内容无一

能够离开矢量及其矢量微分运算，因而物理规律的表达形式和相关的数学运算过程都相对比较复杂.只有充分理解矢量本身

的定义，熟悉对它的矢量微分运算，才能合理表达和深刻理解各部分物理定律及其应用.

几何化在相对论解题中的应用

冯晓明, 程敏熙

2021, 40(3): 25-28. doi:10.16854 /j.cnki.1000-0712.200148

摘要 ( 959 )

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在解决相对论中关于参考系变换的问题时往往需要复杂冗长的计算，常用二惯性系映射法将计算问题转化为几何

问题，该法快速而直观，但初学者较难掌握.为体现洛伦兹变换的动态过程以及传递物理学在变化中追求不变性的价值观，本

文提出新的几何化方法即双曲旋转法.该法在二惯性系映射法的基础上以时空间隔不变性为依据进行双曲旋转，并辅以因果

关系的制约确定最终的几何化结果.以一道题目为例详细说明了两种几何化方法的应用.

弦线驻波实验装置改进

苗永平, 孙二平, 李忠丽, 代坤, 梁润泽, 张振, 刘维慧

2021, 40(3): 29-32. doi:10.16854 /j.cnki.1000-0712.200178

摘要 ( 1995 )

PDF (722KB) ( 1915 )

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本文对典型弦线驻波实验中数据不够准确、驻波不稳定及实验可重复性差等现象进行了分析，明确其根本原因在

于实验装置设计方案存在缺陷. 提出了实验装置改进方案，一是引入拉力传感器取代狭缝刀口和悬挂重物，改变反射波的形

成机理，并以弦线张力直接测量取代砝码重力间接计算; 二是引入机械结构微调弦线长度以改变弦线张力和弦线上驻波波长.

实验结果证明，改进后的实验装置能明显改善上述问题，该装置还可实施研究驻波规律的多个实验方案。

利用智能手机磁传感器研究单摆运动

王锦辉, 孙存英, 周红, 王宇兴

2021, 40(3): 33-37. doi:10.16854 /j.cnki.1000-0712.200388

摘要 ( 1834 )

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本文基于Phyphox 手机App，利用智能手机中的磁传感器( 电子罗盘) 研究磁性单摆运动.结果表明，不同最大摆角

测量出来的磁感应强度随时间变化规律不同.只有最大摆角小于1°时，单摆才可看作简谐振动.不同最大摆角的磁感应强度随

时间变化曲线可以用磁偶极子模型结合大角度单摆公式来描述.利用磁传感器测量的当地重力加速度为9.868m/s2，由于磁性

摆空气阻尼较小，测得的实验误差仅为0.8%.

基于简易装置的空气柱共鸣的声速测量实验

翦知渐, 周艳明, 谢中

2021, 40(3): 38-42. doi:10.16854 /j.cnki.1000-0712.200165

摘要 ( 1829 )

PDF (873KB) ( 408 )

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本文利用简易装置设计了空气柱共鸣实验，并将之用于测量声速.因为实验使用的简单器材所限，空气柱较短较粗，

需要考虑共鸣时管口辐射导致的末端效应，在计算声速时管长应加上一个修正值，同时还需截断频率较高的数据点.实验易于

实现，数据处理的过程对于学生的数学建模、数据发掘与提取等方面的能力也有很好的训练作用.

基于微波频差转换的光学拍频研究

王云新, 王大勇, 杨登才, 李平雪, 戎路, 赵洁

2021, 40(3): 43-47. doi:10.16854 /j.cnki.1000-0712.200269

摘要 ( 1076 )

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光学拍频是大学物理和光学实验教学中的重要内容.由于激光器存在中心波长漂移问题，实验中不易产生可观测的

拍频信号.受到微波光子技术中微波波段和光波波段相互作用机理的启发，提出了基于微波频差转换的光学拍频方法.借助强

度调制和相位调制将两个频差较小的微波信号调制到同一光载波上，结合光学滤波器获得了两个频差极小的稳定光信号，利

用光电探测器实现光学拍频，从仿真和实验两个层面分别获得了可视化的低频拍频信号.该研究为大学物理和光学实验提供

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.

疫情期间工科院校大学物理线上教学模式探究

牛金艳, 刘佳, 慕利娟, 何建丽, 陈伟丽

2021, 40(3): 48-50. doi:10.16854 /j.cnki.1000-0712.200426

摘要 ( 936 )

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为了适应新冠肺炎疫情时期线上教学要求，保证大学物理课程教学的顺利实施，本学期开始我校就对特殊时期的

线上教学模式进行了探索.通过调研不同教学平台线上教学特点，最终决定采用钉钉和雨课堂作为主要的授课软件，学校网络

教学平台作为教学资源上传平台，保证学生有系统的线上文件库.因为雨课堂的数据记录与分析功能，雨课堂被选为单元测试

及课堂测试平台.通过在各平台实施“课前预习、课中直播讨论学习、课后复习”的全过程教学模式，不仅有效的开展了线上教

学，还能采集到学生的学习数据，有效掌握学生的学习情况，为大学物理线上教学提供保障.

基于“金课”建设的“大学物理”线上线下混合教学实践

王辉, 吴平, 朱浩, 张晓, 谢东

2021, 40(3): 51-55. doi:10.16854 /j.cnki.1000-0712.200379

摘要 ( 1099 )

PDF (1628KB) ( 455 )

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近年来，依托高等学校“大学物理”课程，本文持续开展了线上线下混合教学模式的教学改革与实践.在实践过程中

秉承以“学生为中心”的教育理念，围绕“金课”建设标准，既基于信息化技术进行教学方式、方法改革，同时又提升教学内容的

高阶性和挑战度，实践知识探究、思辨与拓展的全新教学模式. 通过对“大学物理”线上线下混合“金课”的设计和实践，有效

促进了高校学生的个性化、深层次学习，对后疫情时代，高校师生实现高质量的线上线下混合教学具有一定的参考价值.

单摆测重力加速度实验的改进

刘彧奇, 谭雨莎, 韦先涛, 张权, 赵伟, 朱玲

2021, 40(3): 56-61. doi:10.16854 /j.cnki.1000-0712.200215

摘要 ( 4463 )

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在单摆测重力加速度实验中，很难对摆长进行非常精确的测量，在较好的测量条件下其测量精度一般也只能达到

毫米量级，所测得重力加速度的相对误差一般在1%左右. 针对这一问题，本文通过对单摆实验装置进行改进，利用与摆线连

接在一起的游标卡尺精确测量摆长的改变量而不直接测量单摆摆长，可将测量精度提高到0.02 毫米. 同时利用光电门测量摆

球摆动周期，并对不同的摆线材质和直径进行了对比实验和分析，在最佳条件下可将重力加速度的测量误差控制在0.1%

以内.

弹簧摆动力学行为演示仪

何玉吉, 汪金芝, 梁卓凡, 李青峰

2021, 40(3): 62-65. doi:10.16854 /j.cnki.1000-0712.200224

摘要 ( 1019 )

PDF (1166KB) ( 369 )

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在非线性保守系统中，弹簧摆结构简单，运动特性较为典型. 本文通过拉格朗日方程对弹簧摆系统进行理论分析解

得运动方程，并在径向和切向将运动分解，运用图像处理技术设计制作了弹簧摆演示仪和实验软件，对运动轨迹与时序图进

行可视化. 软件绘制的弹簧摆轨迹与理论结果具有较好的一致性.

两连通气泡的平衡稳定性

盛天爽, 余邱昱

2021, 40(3): 66-68. doi:10.16854 / j.cnki.1000-0712.200184

摘要 ( 982 )

PDF (797KB) ( 380 )

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针对气泡连通装置的平衡稳定性分析，引入“气泡坐标”概念，并采用最小能量法定量分析气泡初始状态对两连通气泡平衡稳定性的影响，准确解释了对此类问题的定性分析结果. 同时，实验表明数值计算结果与实验测量结果之间误差极小，从而进一步验证了使用最小能量法分析气泡连通装置平衡稳定性的有效性与准确性.

电偶极子与单摆

景雨薇, 吴普训

2021, 40(3): 69-71. doi:10.16854 / j.cnki.1000-0712.200396

摘要 ( 1212 )

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电偶极子是电磁学基本模型之一，其电场强度分布颇有特点.通常教材要么给出电势然后做梯度计算，要么通过矢量叠加直接给出场强，推导比较数学化，学生难以对偶极子场强特点和物理图像获得直观理解.本文把熟知的力学单摆和偶极子联系起来，通过力电类比给出偶极子电场的两种形式，特别是不依赖坐标的场强形式，清楚阐明了各分量特点，还给出类比方法的应用实例.这种方法有助于初学者从不同角度体会知识点联系，深入理解偶极子物理图像，强化类比思维.

干涉效应对 ITO 薄膜光学性能的影响

刘子健, 赵亚丽, 李晓云, 罗湘玉

2021, 40(3): 72-78. doi:10.16854 / j.cnki.1000-0712.200222

摘要 ( 1465 )

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为揭示 ITO 薄膜膜厚对透光率及色泽感影响规律，本文采用 TFCalc 光学薄膜设计软件计算了 50 ～ 700 nm 膜厚的 ITO 薄膜可见光透光率，平均透光率和人眼最为敏感波长550 nm 的透光率与膜厚的关系.采用膜层干涉理论研究了 ITO 膜厚和入射角对其透光率和色泽感影响规律和物理机制.研究结果表明: 对特定膜厚的 ITO薄膜，其可见光随膜厚增加会出现系列透射峰，膜厚越大，对应透射峰也相应增加.ITO 薄膜可见光透光率，平均透光率和特定波长 550 nm 的可见光透光率随膜厚的增加呈锯齿状; 随膜厚增加，ITO 薄膜的颜色呈现黄绿色、橙色、紫红色、青色、黄绿色周期性的变化.当 ITO 膜厚为 300 nm，入射角从 30°增加到 60°时，薄膜色泽从暗紫色变为亮紫色.通过本论文的研究，建立了 ITO 薄膜和膜厚关系的色卡，这对工业控制及改善 ITO 薄膜的色泽提供技术支撑.

用松弛法解薛定谔方程

刘观福, 余聪

2021, 40(3): 79. doi:10.16854 / j.cnki.1000-0712.200219

摘要 ( 1305 )

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求解定态薛定谔方程常常会涉及到常微分方程的本征值问题.目前解常微分方程本征值用的比较多的方法是以龙格-库塔方法为基础的打靶方法.打靶方法常用，但是计算时间长.当边界条件比较复杂或比较敏感的时候，用松弛法会有更好的效果.本文用松弛法解薛定谔方程，并和理论解进行比较.发现松弛法得到的数值解和理论解符合度很高，而且使用松弛法能够很快得到符合要求的解.

封面说明

陈晓林, 田光善

2021, 40(3): 86.

摘要 ( 513 )

PDF (955KB) ( 148 )

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开普勒诞辰

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