大学物理

吕广宏, 梁林云, 姜寅, 周洪波, 胡地, 竺礼华, 耿立升, 满兴坤, 李博, 周苗, 张玉洁, 刘利民, 金硕, 宋春艳, 张颖, 舒小林

2022, 41(1): 1. doi:10.16854 / j.cnki.1000-0712.210162

摘要 ( 801 )

PDF (330KB) ( 492 )

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随着信息技术的快速发展和学科间不断交叉渗透，作为与理论物理和实验物理并列的第三种研究物理现象和规律的方法，计算物理变得越来越重要.然而，由于学科发展相对较晚以及学科自身的一些特点，本科生和研究生的计算物理课程教学尚未形成较成熟的体系.本文主要介绍北京航空航天大学本科生和研究生计算物理课程协同建设的探索和实践情况.本科生课程定位于掌握计算物理的基础理论知识和解决物理问题的案例实践，课程教学小班化;研究生课程定位于构建计算物理坚实的专业基础和宽广的知识结构，突出专业性和前沿性，重视计算实践能力，并开设计算物理二级学科平行课.本文主要介绍了从课程内容、教学方式和考核手段等方面进行的协同建设的探索与实践，这项探索使得本科生和研究生课程在内容、结构和方式上具有连续性和统一性.

外势对物质波孤子的吸引和排斥

王艳

2022, 41(1): 8. doi:10.16854 / j.cnki.1000-0712.210191

摘要 ( 630 )

PDF (311KB) ( 308 )

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本文运用拉格朗日理论研究了物质波孤子在外势作用下的运动情况，主要讨论了初速度为零的孤子在势井和势垒中所表现出的不同行为，结果显示势垒能排斥孤子，势井能吸引孤子，并用数值模拟的方法使其得到了验证.

与月球有关的引潮力

金咸宜

2022, 41(1): 11. doi:10.16854 / j.cnki.1000-0712.210110

摘要 ( 913 )

PDF (203KB) ( 847 )

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从简化的地月系统力学模型出发，严格推导出地表物体动力学方程在转动坐标系下的表示形式，通过对称性的分析，得到引潮力，从而有助于加深对引潮力和潮汐成因的理解.

一维双方势垒量子隧穿的研究及其数值模拟

李海凤, 王欣茂

2022, 41(1): 15. doi:10.16854 / j.cnki.1000-0712.210279

摘要 ( 1245 )

PDF (305KB) ( 459 )

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量子隧穿效应在实际技术中具有重要应用，本文首先展示了如何求解一维任意边界非对称以及对称双方势垒的透射系数，然后研究了对称双方势垒透射系数对垒宽、垒间距以及微观粒子入射能量与垒高比值( E/U₀ ) 的变化依赖关系.最终得出以下结论，随着双方势垒垒宽的增加，透射系数从最大值 1 衰减至最小值0.随着垒间距的增加，透射系数呈现周期振荡，本文首次推导得出透射系数最大时对应的垒间距解析表达式，并给出振荡的周期，进一步证明得到它等于微观粒子的德布罗意波长.当垒宽越小时，随着 E/ U₀

的增大，透射系数更容易达到 1，并且保持不变，当垒间距越大时，随着 E/ U₀ 的增大，透射系数振荡周期变大，而振幅变小，粒子更容易实现共振隧穿.

N 维势箱函数量子特性的可视化研究

郑兴荣, 郑燕飞

2022, 41(1): 19. doi:10. 16854 / j.cnki.1000-0712.210250

摘要 ( 829 )

PDF (436KB) ( 818 )

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运用量子理论推导和数值计算相结合的方法，本文首先得到了一维势箱函数的示意图及其模型. 接着，全面、系统地研究了量子理论中 N 维势箱函数的波函数、能级和概率密度. 最后，运用MATLAB 软件对势箱函数的所有特性进行了仿真模拟. 我们发现: N 维势箱中粒子的能量是量子化的、不连续; 量子数 n 不能为零，且 n 越大对应的能级越高，而质量 m 越大，对应的能级越低.一般条件下，一维势箱长度 a 越大( 粒子运动范围越大) ，对应的能级越低; 节点数为 n- 1，节点越多，波长越短，频率越高，能级越高. 二维势箱函数波函数的峰值个数为 nₓ ×ny ，且与Ψ = 0 平面的交线数也为 nₓ ×ny ; 概率密度分布的极大值个数也为 nₓ ×ny . 对于简并度，一般情况下，二维势箱模型下的粒子的简并度是不确定的;但对于二维正方势箱函数模型，其箱内微观粒子的能级简并度分为特殊和一般两种情况. 三维势箱函数的简并度为 nₓ +ny +nz . 最后，首次借助 MATLAB软件的色彩实现了四维表现，得到了三维势箱函数的四维空间切片图. 这种可视化的结果与理论结果完全一致，这对于抽象性概念的理解具有重要意义.

狭义相对论教学中的几个问题

王雷

2022, 41(1): 24. doi:10.16854 / j.cnki.1000-0712.210190

摘要 ( 783 )

PDF (273KB) ( 439 )

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本文讨论了相对论教学中几个方面的问题，包括常见例子的问题，洛伦兹变换的方便形式，同时相对性例子在另一参考系的讨论，长度测量在另一参考系看到的现象，时间延缓及运动参考系各点时间不同和光的多普勒效应的简单推导.通过不同过程在不同参考系中的讨论，掌握在运动系讨论问题的方法，以及同一过程在不同惯性系内的不同表现，而所有现象的测量结论在洛伦兹变换下保持不变.

宽窄导轨上纯滚动双钢球碰撞实验

路峻岭, 顾晨, 任乃敬, 马泊一

2022, 41(1): 27. doi:10.16854 / j.cnki.1000-0712.210184

摘要 ( 922 )

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在宽窄水平导轨上进行纯滚动双钢球碰撞实验，发现它与滑动运动中的双钢球碰撞实验明显不同; 其原因在于纯滚动双钢球的碰撞是在碰撞点的正碰和切向碰撞的复合碰撞，两类碰撞遵从不同的动力学规律;碰撞过后，两钢球的运动状态都不再是纯滚动，要恢复成纯滚动，每一个钢球都必须通过自身与导轨之间的相互作用，经历一次自调整阶段;而自调整阶段的能量损耗，与钢球的滚动半径和它的即时状态与纯滚动的偏离有关.

单摆周期的系统误差分析

邵云

2022, 41(1): 32. doi:10.16854 / j.cnki.1000-0712.210247

摘要 ( 3496 )

PDF (353KB) ( 751 )

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文章逐个分析计算了单摆的摆角、摆球的自转、摆线质量、空气浮力以及空气阻力对于单摆周期的影响，以 1 m 长5°小幅单摆为例，得到这 5 种因素带来的系统相对误差分别为+ 0. 45‰、+ 0. 02‰、- 0. 45‰、+ 0. 07‰、- 0. 14‰，合计仅为-0.05‰，即这 5种误差因素几乎相互抵消，小幅单摆实验在理论上的系统误差极小.文章给出了较为详细的推理、计算和分析过程，尤其空气阻力矩的推理过程以及图、表等，意在提供较为完整和准确的认识.文末，针对人们在空气阻力认识上可能存在的某些不足，文章给出了几点必要的说明.

基于光学全息“指纹锁”的设计与仿真

闫爱民, 胡志娟

2022, 41(1): 39. doi:10.16854 / j.cnki.1000-0712.210214

摘要 ( 602 )

PDF (333KB) ( 159 )

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本文提出了一种基于光学全息的“指纹锁”，将其放置在智能卡的 IC 芯片前面，用于对用户的个人识别号( PIN码)进行预先加密和认证，和智能卡原有的数字加密算法相结合，可进一步提高信息存储和提取的安全性.该指纹锁是以指纹图像和随机相位板为密钥，记录在光折变晶体材料内的一组角度复用加密全息图.这种光学加密全息图与传统的角度复用全息图不同，其参考光兼有指纹密钥的振幅调制和随机相位调制，具有私密性好、携带方便、安全性高等优点.

以学生为中心的大学物理教学探索与实践

高兰香, 许丹华

2022, 41(1): 43. doi:10.16854 / j.cnki.1000-0712.210218

摘要 ( 556 )

PDF (522KB) ( 408 )

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为解决大学物理教学方式单一、考核重知识轻能力和素质的现实问题，课程教学范式从以教师为中心向以学生为中心进行转变.

基于智慧教室和智慧树平台，本文构建了“互联网+教育”的新型智慧学习环境，梳理物理课程知识体系的同时融入课程思政元素，构建了知识+应用+前沿的课程内容体系，凸显能源电力行业特色.采取基于真实任务的小组教学，强调体验式学习，促进学生自主构建知识实现深度学习.对课程教学目标进行全面设计，以成果为导向，形成性与终结性评价相结合，定性与定量相结合，建立了综合性评价体系，促进学生知识、能力、素质全面发展.

大学物理课程思政设计与实践———以质点力学为例

龙晓燕, 谢海燕, 吴实, 张亦勋, 李加定

2022, 41(1): 50. doi:10.16854 / j.cnki.1000-0712.210166

摘要 ( 2210 )

PDF (563KB) ( 668 )

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在教学过程中加强课程思政教育具有重要意义、势在必行. 为了深化大学物理课程教学改革，在混合式教学模式下，借鉴传统教学针对达成知识目标的有效教学方法，对课程思政进行教学设计.通过线上、线下、考核“三位一体”的思政设计与实践，结合期末课程思政名师讲座提升，初步形成课程思政育人模式. 该模式应用以第一章“质点力学”为例，实践表明课程的育人质量得到提升.

新工科背景下建筑类高校大学物理教学改革探究

刘艳玲, 古金霞, 梁春恬, 田维, 宋峰

2022, 41(1): 56. doi:10.16854 / j.cnki.1000-0712.210132

摘要 ( 745 )

PDF (467KB) ( 596 )

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大学物理是高等院校理工类各专业大学生的一门重要的公共基础必修课.本文结合新工科背景和时代特点，以天津城建大学大学物理教学为例，介绍了其所进行的一系列探索性教学创新改革，并对创新效果和存在的“痛点”问题进行了分析总结，探索了培养具有扎实物理功底的建筑类人才的有效途径.

对硬币在不同环境下转动的分析

方尤乐, 王天骁

2022, 41(1): 61. doi:10.16854 / j.cnki.1000-0712.210089

摘要 ( 754 )

PDF (424KB) ( 287 )

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本文推导了硬币在不同环境下的基本运动方程，分析了硬币的绕圈运动问题，并利用其结果讨论了两种特殊的运动模式，最后用计算机模拟的方法进行了验证.

基于电磁感应法测量亥姆霍兹线圈磁场的改进

徐林超, 向文丽

2022, 41(1): 68. doi:10.16854 / j.cnki.1000-0712.210195

摘要 ( 1390 )

PDF (457KB) ( 542 )

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本文在电磁感应法的基础上，通过与亥姆霍兹线圈串联使电容达到谐振的改进方法，测量了不同电容参数下的亥姆霍兹线圈磁场分布，并利用 Origin软件拟合分析了亥姆霍兹线圈磁场与中心轴线位置的关系.实验结果表明，基于电磁感应的改进方法测得的亥姆霍兹线圈磁场精确度在一定程度上均大于传统电磁感应法的测量结果，3 种电容选择中，串联电容为0.099×10-⁶ F时，精确度最高，拟合的亥姆霍兹线圈磁场与中心轴线位置的关系式与理论状态下的公式基本吻合.改进方法的实验效果明显，精确度高，科学可行，是一种值得推广的测量亥姆霍兹线圈磁场的改进方法.

光纤温度传感器实验的改进与分析

冉露, 廖红波

2022, 41(1): 73. doi:10.16854 / j.cnki.1000-0712.210258

摘要 ( 610 )

PDF (558KB) ( 630 )

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本文利用价格低廉的 1 310 nm商用光纤分束器、铝箔导热等对光纤温度传感器实验装置进行了改进，并测量了改进后传感器的温度系数，发现改进后的温度系数更加稳定，导热条件对温度系数的测量影响较大. 最后对此实验的教学提出了建议.

Monte-Carlo 法模拟二维 Ising 模型———Metropolis、Swendsen-Wang 与 Wolff 算法的对比

徐琳, 陈雨泽, 刘家昊

2022, 41(1): 79. doi:10.16854 / j.cnki.1000-0712.210101

摘要 ( 1850 )

PDF (336KB) ( 867 )

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Ising 模型是一种应用广泛的磁自旋相互作用模型，其二维情况严格求解极为复杂，实际应用中通常利用 Wolff 算法进行模拟.Wolff 算法目前被认为是最好的聚类翻转Monte-Carlo 算法. Metropolis 和 Swendsen-Wang 算法同 Wolff 算法类似，理论上也适用于Ising 模型的模拟，却未有文章将三者系统对比来说明 Wolff算法的优越性，本科课程对于 Monte-Carlo 算法的介绍也较少.本文分别利用三种算法模拟了二维 Ising模型，介绍了其算法原理、参数选择及实现方式，分析对比了三种算法的模拟效果和适用范围，从而总结说明在二维 Ising 模型的模拟中 Wolff 算法效果更好的原因.

封面说明

陈晓林, 田光善

2022, 41(1): 84.

摘要 ( 332 )

PDF (79KB) ( 100 )

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全国大学物理科普知识交流会暨《大学物理》期刊第十一届编委扩大会议简讯

周静

2022, 41(1): 85.

摘要 ( 406 )

PDF (196KB) ( 306 )

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