大学物理

超导量子比特

宿非凡, 杨钊华, 范桁, 赵士平

2021, 40(7): 1. doi:10.16854 /j.cnki.1000-0712.210045

摘要 ( 1789 )

PDF (482KB) ( 842 )

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随着2019 年谷歌成功实现了“量子优势”，超导量子计算的研究正引起人们更加广泛的关注.超导量子比特是拥有

量子化能级、量子态叠加和量子态纠缠等量子力学特性的宏观器件，目前被广泛应用于量子物理、原子物理、量子光学、量子

化学、量子模拟和量子计算等诸多领域中.本文将重点讨论位相、电荷、传输子以及磁通型超导量子比特的基本原理及其器件

结构，并讨论器件的制备方法和量子态测量技术，最后对基于超导量子比特开展的物理问题的研究做一简单介绍.

李导数一种新的讲授方式

何孝凯, 曹周键

2021, 40(7): 8. doi:10.16854 / j.cnki.1000-0712.210091

摘要 ( 1882 )

PDF (160KB) ( 521 )

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李导数是微分流形上的一类重要导数算子，在数学和物理上都有着广泛的应用.本文给出关于李导数一种新的讲授方式.不同于通常教材利用推前和拉回映射定义李导数，本文首先介绍了流形上光滑矢量场的适配坐标系的概念，然后给出了流形上的任意光滑矢量场沿某一给定矢量场的李导数在适配坐标下的定义.在此基础上，我们证明了这一新定义与具体适配坐标系的选择无关.进一步地，我们给出了矢量场李导数在任意坐标系下的表达式，与通常教

材中定义的李导数相衔接. 与通常的教材引入李导数的方式相比，本文采用的讲授方式更便于初学者理解和掌握.本文对矢量场李导数的处理方式，可以自然推广到流形上的任意张量场李导数.

角位移矢量性的进一步探讨

王靖洲

2021, 40(7): 12. doi:10.16854 / j.cnki.1000-0712.200488

摘要 ( 1113 )

PDF (244KB) ( 405 )

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对角量矢量性的讨论，或通过图形比较，或通过公式计算，都得出了无限小转动是矢量、有限转动不是矢量的结论，但都不曾指出根本的物理原因.通过物理量的不变性和变换的协变性，证明了转动矢量不是真矢量，并且得出其本质原因是坐标系的左旋和右旋.

一种安培环路定理的讲法

耿志浩

2021, 40(7): 17. doi:10.16854 / j.cnki.1000-0712.200446

摘要 ( 1071 )

PDF (271KB) ( 1031 )

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在面向非物理专业的大学物理教学中，本文提出了一种安培环路定理的讲法，证明方法简单直观，可以加深学生对定理的理解，适合在教学实践中采用.

电荷投影法在研究无限长导体薄板电荷分布规律中的应用

周群益, 莫云飞, 周丽丽, 侯兆阳

2021, 40(7): 19. doi:10.16854 /j.cnki.1000-0712.200545

摘要 ( 964 )

PDF (596KB) ( 475 )

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利用无限长均匀带电圆柱面的电荷分布规律和无限长带电直线的场强公式，采用电荷投影法推导了有限宽无限长

带电导体的面电荷分布规律.根据电势叠加原理推导了电势积分式，利用场强与电势之间的关系推导了电场强度两个分量的

积分式.将公式无量纲化，通过数值积分计算了电势和场强的分量之值.通过作图，显示了有限宽无限长带电导体薄板的电势

和场强，画出了二维等势线和电场线，充分显示了场强的分布规律.

狄拉克δ -函数及有关应用

郑神州, 康秀英

2021, 40(7): 25. doi:10.16854 /j.cnki.1000-0712.200456

摘要 ( 4417 )

PDF (299KB) ( 1286 )

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狄拉克δ-函数实际上是离散情况下的Kronecker δ-函数的连续化，它在数学和物理中都有重要的应用. 基于广义函

数概念引入狄拉克δ-函数的精确定义，证实狄拉克δ-函数不是通常Lebesgue 局部可积意义下的普通函数; 文中分别以单位矩

形脉冲函数、高斯函数、钟形函数和Sinc 函数的序列在弱极限意义下来逼近狄拉克δ-函数. 另外，验证了狄拉克δ-函数可以作

为Heaviside 函数的广义导数，以及其高价广义导数，并给出狄拉克δ-函数的卷积性质、伸缩性质、复合变换性质、正交性和狄拉

克梳函数，最后引入了狄拉克δ-函数与广义傅里叶变换的关系，以及其在泊松方程Dirichlet 边值问题求解中的应用.

谐振子的经典和量子统计分布

康琳惠, 张林

2021, 40(7): 30. doi:10.16854 / j.cnki.1000-0712.200508

摘要 ( 1312 )

PDF (359KB) ( 1043 )

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经典统计与量子统计之间存在着一定的区别和联系，并在一定的条件下可以相互转换.本文以物理学中非常重要的谐振子模型为例，分别从谐振子的运动状态描述、能量、测不准原理、运动空间分布、概率分布等方面对这两种统计方法进行了比较从而归纳出谐振子的经典统计与量子统计分布的异同，加深了对量子动力学行为的进一步理解和认知.

一种牛顿环干涉实验数据处理新方法

花晓彬, 花世群

2021, 40(7): 35. doi:10.16854 / j.cnki.1000-0712.200471

摘要 ( 1890 )

PDF (213KB) ( 1598 )

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基于牛顿环干涉实验中，相邻两个干涉圆环所在位置处，在竖直方向上的空气层厚度差为二分之一波长，将移动读数显微镜测得的干涉圆环直径数据作为横坐标，由干涉圆环级次差确定的空气层厚度差作为纵坐标，进而对牛顿环仪中平凸透镜球面所在的大圆方程进行拟合通过拟合，得到的大圆方程获取平凸透镜球面的曲率半径值.实验验证表明，新的实验数据处理方法所需测点少，过程简单，结果可靠.

量子力学本科教学演示仪之量子真空场测量

吴媛, 郭超修, 尹亚玲, 陈丽清

2021, 40(7): 38. doi:10.16854 / j.cnki.1000-0712.200380

摘要 ( 1358 )

PDF (293KB) ( 608 )

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“真空不空”是量子力学区别于经典物理的一个重要内容. 这主要是因为真空场的能量小到无法直接测量，通常需要基于平衡零拍探测的量子实验装置进行测量. 然而现阶段的大学物理实验教学中缺乏该实验装置，导致学生无法直观理解这一量子力学的基本概念. 针对这一问题，本文设计并搭建了基于平衡零拍探测的真空场测量仪，通过光学放大的过程实现真空场起伏的测量. 该实验教学仪原理简单，现象直观，操作容易且便于维护，弥补了大学物理中量子力学实验的空白，实现前沿物理在大学物理教学中的拓展.

金属管内光环现象的观察与研究

王梓彦, 吴祥, 陆建隆

2021, 40(7): 41. doi:10.16854 / j.cnki.1000-0712.200364

摘要 ( 877 )

PDF (406KB) ( 236 )

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对于内壁光滑的圆柱状金属管，从开口处观察可以发现亮度不连续分布的光环.本文利用平面镜实验初步验证了产生该现象的基本原理.通过建立模型，运用 MATLAB 进行模拟，对该现象产生的基本原理进行解释.最后采用实验与模拟结合的方式对影响光环的系列因素进行探究.

相对论效应实验谱仪在测厚中的应用

陈旭燕, 王芸巧, 程敏熙

2021, 40(7): 47. doi:10.16854 / j.cnki.1000-0712.190580

摘要 ( 875 )

PDF (274KB) ( 224 )

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相对论效应实验谱仪能便捷、准确地验证快速电子的能量与动量的相对论关系.本文利用这一仪器开展了两个综合性实验，分别对铝片和铝箔的厚度进行了测量，不仅可以加深学生对核物理实验技术和应用的理解，也做到了仪器设备一机多用，提高使用效益.

基于 HTML5 技术的物理动画开发与应用

宋洪晓, 张琦玮, 刘建强

2021, 40(7): 51. doi:10.16854 / j.cnki.1000-0712.210005

摘要 ( 1043 )

PDF (309KB) ( 291 )

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随着手机等移动设备取代电脑成为主流上网方式，大学物理等学习资源中大量使用的 Flash 动画需要迁移到移动设备上运行.HTML5( 简称 H5) 是目前 Flash 的最佳替代技术，本论文基于物理学新形态教材中 H5 动画的设计、开发实践，总结了物理类 H5 动画的设计思路与开发步骤，并结合实例对选题与物理建模、界面与交互功能设计两个步骤进行了详细介绍.

在大学理科教学中应用思维导图的实践研究———以“激光技术概论”课程为例

李洪玉, 许林鑫, 侯丹

2021, 40(7): 55. doi:10.16854 / j.cnki.1000-0712.200458

摘要 ( 1064 )

PDF (467KB) ( 274 )

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在“激光技术概论”课程教学过程中，教师通过辅导学生预习、布置作业、问卷反馈的方式，使学生自由选择是否利用思维导图完成作业，逐步引导学生尝试利用思维导图做知识点汇总. 这些措施激发了学生应用思维导图这一学习工具的兴趣，同时也提高了学生学习“激光技术概论”课程的积极性.

本研究还发现“思维导图加备注”的模式既利用了思维导图有助于理清知识脉络的优势，同时又用备注填补了思维导图不能展现知识点具体内容的短板，因此相比于单纯的思维导图模式，“思维导图加备注”的模式更适合物理类学科的学习.

混合式教学模式的大班实践效果研究

孙燕云, 徐利华, 何钰, 吴浪, 廖文强, 黄曦晨

2021, 40(7): 61. doi:10.16854 / j.cnki.1000-0712.200422

摘要 ( 844 )

PDF (415KB) ( 185 )

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本文基于教学实践探讨了线上线下混合式教学模式的效果，提出了对策与建议. 实验数据显示采用混合式教学模式的班级成绩分布离散程度小、及格率高，其中重视课前预习的学生学习效果更佳. 研究表明，应在尊重不同学习风格的基础上采取多样化的教学策略; 作业的同质化现象制约了教学效果的提升，扎实构建“三全育人”体系是解决该困境的根本要素;混合式教学模式在大班教学中的深度应用有赖于教育信息化技术的进一步完善和教学考评方案的持续优化.

刚体运动三维可视化模拟和复摆相关问题探讨

林炯辉, 刘玉颖, 宋敏

2021, 40(7): 68. doi:10.16854 / j.cnki.1000-0712.200404

摘要 ( 1164 )

PDF (710KB) ( 1002 )

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本文应用刚体定轴转动定律和角动量定理，结合 VPython 软件，首先模拟刚体的定轴转动，例如匀质圆柱体在不同力矩作用下的转动，直观地显示刚体运动轨迹以及角位移、角速度等物理量随时间的变化关系，以及重力矩作用下的刚体能量守恒等，使刚体运动过程实现可视化. 有趣的是，本文还研究了刚体的平面平行运动( 平动加转动) 以及刚体的振动，模拟了大角度下刚体摆动时出现的混沌状态. 可视化模拟深化了对课本知识的理解.

硬币“跳舞”的动力学分析

胡立

2021, 40(7): 75. doi:10.16854 / j.cnki.1000-0712.200366

摘要 ( 1616 )

PDF (244KB) ( 1047 )

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本文从动力学的角度，对 2018 年国际青年物理学家锦标赛( IYPT2018) 的第三个课题“跳舞的硬币”进行了理论分析，得到了在单次跳动过程中硬币翘起高度随时间变化的图像.同时，提出了“放置误差”的概念，并进一步讨论了硬币的放置误差对硬币翘起高度的影响，发现放置误差越大，硬币翘起越快，翘起的最大高度也越大. 实验方面，用高速摄像机对不同放置误差下硬币跳舞的过程进行录制，并用 tracker 进行追踪.通过实验结果与理论模型的对比，验证了理论模型的正确性.

激光散斑漂移现象的理论模型与成像实验

郭又溪, 贺韵博, 刘荣臻, 宫殿锦丰, 夏成杰

2021, 40(7): 78. doi:10.16854 / j.cnki.1000-0712.200524

摘要 ( 1140 )

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基于傅里叶光学原理，建立了数值计算客观及主观激光散斑图样的方法.利用几何光学成像原理，推导了主观散斑现象中散斑及光斑漂移速率的表达式.搭建了成像实验装置，观察主客观散斑及其漂移现象. 结合相关函数、快速傅里叶变换算法以及卷积定理，建立了基于图像处理定量计算散斑及光斑漂移量的方法.实验结果、数值计算结果、几何光学理论均互相符合，表明了数值方法与几何光学理论的正确性，为激光散斑漂移现象提供了系统性的研究方法和直观的理解.

封面说明

陈晓林, 田光善

2021, 40(7): 79.

摘要 ( 406 )

PDF (955KB) ( 165 )

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开普勒诞辰

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