大学物理

信息技术融入电动力学课程建设的思考与实践

谢双媛, 王祖源, 倪忠强

2022, 41(3): 1. doi:10.16854/j.cnki.1000-0712.210349

摘要 ( 787 )

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电动力学是物理学专业的专业核心课，是培养新时代物理学人才重要的支撑课程．本文围绕课程教学目标、教学内容、教学方法、教学评价等方面，阐述了融入信息技术、采用线上线下混合式教学模式，建设电动力学课程的思考和实践研究．

多极矩分析的教与学探讨

余天, 姚欣, 林方, 齐建起, 张志友, 聂娅, 王磊, 朱建华, 龚敏

2022, 41(3): 9. doi:10.16854/j.cnki.1000-0712.210307

摘要 ( 1021 )

PDF (938KB) ( 587 )

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多极矩展开是一种重要的分析方法，由静态电磁场多极矩展开得到的电多极子和磁多极子是基础而重要的物理模型.多极矩展开表示方法、多极子模型与多极子以及电磁场相互作用是多极矩分析教学的核心内容.本文从上述三个方面展开探讨：给出静态电场和静态磁场的内部和外部多极展开；讨论多极矩展开的不同表示的关系；强调多极子是基于远源处电磁势对源进行的等效点源替代；最后，从受力与力矩方面考察电多极子和磁多极子与外电磁场的相互作用.

非等时变分与拉格朗日方程

李琛, 徐丽佳, 张小明, 毛长荣, 谢芳

2022, 41(3): 16. doi:10.16854/j.cnki.1000-0712.210453

摘要 ( 1099 )

PDF (704KB) ( 486 )

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在理论力学的教学中，基于最小作用量原理推导拉格朗日方程的时候，一般假设了等时变分的条件.本文在非等时变分的条件下重新推导了拉格朗日方程，并解释了非等时变分的物理含义.

平行圆柱面导热形状因子的保角变换法

师晋生, 张巧珍

2022, 41(3): 18. doi:10.16854/j.cnki.1000-0712.210115

摘要 ( 558 )

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本文采用保角变换将两个平行偏心的等温圆柱面之间的稳态导热变换为同心同轴的圆柱面之间的导热，得到稳态导热情况下偏心圆筒壁、两平行圆柱面以及地下埋管与地面之间等三种实际情况下的导热形状因子，为简化热流量计算提供方便，为对其机理的认识拓展新思路.

利用镜像法求解劈形导体边界的讨论

吴轲娜, 周国华, 马文帅, 刘月林

2022, 41(3): 21. doi:10.16854/j.cnki.1000-0712.210224

摘要 ( 836 )

PDF (831KB) ( 339 )

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镜像法是解析求解高对称性静电场边值问题的一种简便方法.本文研究劈形边界导电系统的镜像问题，此时导电劈的夹角α存在附加条件α=π/n(n=2,3,4,...)，该附加条件是教学过程中学生的疑问点.镜像法求解静电问题的理论依据是唯一性定理，在保持边界条件与边值关系不变的原则下，推导导电劈夹角α的数学表述并解释分析其存在附加条件的原因.

低成本改进一种简易测定水的汽化热实验装置

李金英, 刘霜, 王萌, 杨雨馨

2022, 41(3): 23. doi:10.16854/j.cnki.1000-0712.210215

摘要 ( 622 )

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针对大学物理实验手动测定水的汽化热装置存在蒸汽冷凝严重、冷凝水混入量热器、蒸汽温度测量不准确从而导致较大系统误差、影响实验教学效果的问题，本文对实验装置结构进行了适当改进，通过自制四口瓶蒸汽过滤器代替传统简易蒸汽过滤器，对实际蒸汽温度进行了测定，从而降低了系统误差；通过在蒸汽输气管上加装可调温电热加热套，减少了水蒸气冷凝对实验结果的影响. 实验结果表明，该改进装置稳定可靠、成本低且测定精度高，可以使测量结果与公认值的相对偏差从未改进前的10.4%降低到3％以内.

基于物联网的远程实验操作系统与教学方案 ——以“示波器的使用”为例

王爱记, 王引书, 白在桥

2022, 41(3): 27. doi:10.16854/j.cnki.1000-0712.210311

摘要 ( 811 )

PDF (1014KB) ( 265 )

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远程教学打破了时间和空间的限制，在现代教学过程中扮演着越来越重要的角色，尤其是在抗击新冠疫情期间，远程在线教学成为了教学的必要手段. 针对实验教学需要操作仪器的特殊性，本文以“示波器的使用”为例探索并实践了基于物联网的远程操作物理实验的途径，通过LabVIEW实现对仪器的控制，利用LabVIEW中Web Sever 功能实现对仪器的远程操作，让仪器联网，采用Python编程中Tornado框架自主开发网站，为管理和远程操作仪器提供入口，再整合在线会议、电子教室、微信等免费平台与工具，自主搭建了成本低、用途广的远程实验操作系统；设计了包括视频指导、集中上课、自由练习等三部分的教学方案.

元激发和准粒子

郭星原, 杨鹤佳, 开来, 梁军请

2022, 41(3): 32. doi:10.16854/j.cnki.1000-0712.210410

摘要 ( 970 )

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元激发或准粒子用于描述宏观物体处于低激发态时的物理性质.不同物理模型对应着不同准粒子,这些独立的准粒子的集合体，使本来复杂的多体问题变得易于处理.在三维及以上的空间中，按照粒子的自旋属性，自旋为半奇数的符合费米-狄拉克统计，自旋为整数的符合玻色-爱因斯坦统计.1977年，Leinaas和Myrheim在研究二维空间拓扑性质后，提出一种遵循分数统计规律的准粒子——任意子，随着二维物理系统的发展，任意子从纯理论研究成为实际研究对象.

高校物理专业力学课程学情分析与教学设计

刘奕轩, 司宗国, 高琨

2022, 41(3): 36. doi:10.16854/j.cnki.1000-0712.210437

摘要 ( 1229 )

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力学课程作为高等院校物理专业的第一门专业课程，衔接着中等至高等教育教学模式的转化，对后续物理专业课程的教学具有基础性和启发性作用. 目前，多数高校力学教学的内容和形式仍不能很好地满足学生的需求. 基于此，本研究采用问卷结合访谈调查的方法，对山东大学物理班4个年级的学生进行了调查，旨在了解学生对当前课程内容、授课方式和考核模式的认同度，获得学生对本课程教学改革的期望与建议. 基于调查结果，本研究对下一步的教学设计提出了初步方案.

大学物理教学研究的发展演进探析——基于知网的可视化分析

李姣姣, 周雨青, 董科, 王佳宁

2022, 41(3): 41. doi:10.16854/j.cnki.1000-0712.210285

摘要 ( 722 )

PDF (1119KB) ( 473 )

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本文选用内容分析法，同时借助Cite Space软件，对2010~2020年间在国内公开发表的有关大学物理教育教学研究的期刊论文进行收集、分析，以期梳理出10年间大学物理教育教学研究的发展演进状况.通过对文献进行基本信息处理、研究热点呈现和前沿演变分析，得出了如下结论：① 在大学物理教育教学研究领域，论文成果产出稳定且持续，但学者们多为校内合作研究，缺少跨校际及跨国界的合作研究；② 大学物理的研究热点与时代发展密切相关；③ 政府导向的明线与技术发展的暗线共同“支配”研究热点转变.

探究弦球链系统的拓扑不变量

林织星, 王志元, 杨天骅

2022, 41(3): 51. doi:10.16854/j.cnki.1000-0712.210324

摘要 ( 1338 )

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周期性弦球链体系作为典型的声子晶体体系，其能带结构已得到了广泛而深入的研究.在实际观测体系能谱的过程中，会探测到一类特殊的能量本征态——边缘态(能量处在带隙间，且波函数局域在体系边缘的态)，同时观察到其存在具有一定的鲁棒性.由于实验上观测到的弦球链边缘态的性质与电子体系中拓扑绝缘体的边缘态性质的相似性，可以利用同一套能带拓扑的语言研究弦球链体系.本文通过数值计算能带的拓扑不变量，揭示了弦球链体系非平庸的拓扑性质，从而证明了实验上探测到的边缘态是拓扑保护的边缘态.基于数值计算的结果，讨论了体系的拓扑相变与边缘态的输运性质

矩形薄膜受迫横振动问题的求解及可视化

周纪晨, 郭琴

2022, 41(3): 56. doi:10.16854/j.cnki.1000-0712.210203

摘要 ( 1179 )

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膜的横振动分析在乐器膜、耳膜以及植物细胞膜中有着广泛的应用价值．相比自由振动，受迫膜振动问题的研究更符合应用实际．本文采用数学物理定解问题的傅里叶级数法与冲量定理法，对四周固定的均匀矩形薄膜振动问题进行了研究，得到了此类问题在受迫振动下的解析解，并对其振动状态进行了可视化分析．研究发现：一维弦振动解法同样可为二维有界膜振动问题提供简便的求解途径，且膜振动将呈现更加丰富的特点．本文的二维非齐次振动问题的冲量定理解法还可推广到二维有源(汇)输运问题中去．

旋转波片法测量Stokes参量与Jones矩阵

赖煜成, 胡新元, 吴家毅, 白在桥

2022, 41(3): 61. doi:10.16854/j.cnki.1000-0712.210186

摘要 ( 810 )

PDF (956KB) ( 334 )

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本文总结了旋转波片法测量偏振光的Stokes参量和偏振元件的Jones矩阵的计算细节，并搭建实验装置对不同电压下液晶盒的Jones矩阵进行了实际测量.

蜂蜜溶液法拉第斑图的研究

张明杰, 王伟, 周路群

2022, 41(3): 68. doi:10.16854/j.cnki.1000-0712.210359

摘要 ( 654 )

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本文研究周期性外力驱动下蜂蜜溶液法拉第斑图的特性.实验中观察到相较于水或黄原胶溶液，蜂蜜溶液的法拉第斑图具有很高的有序度.对产生斑图的临界加速度进行了探究，发现蜂蜜溶液与黄原胶溶液在弱非线性区具有相似的动力学特性.关于色散关系的测量结果显示，蜂蜜溶液色散关系与重力-表面张力波理论色散关系有较好的一致性，但蜂蜜溶液的非牛顿黏滞性导致两者有所差异.

密立根油滴实验问题三则

肖勇, 董键

2022, 41(3): 73. doi:10.16854/j.cnki.1000-0712.210281

摘要 ( 977 )

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密立根油滴实验在教学上依然存在诸多问题，比如元电荷的测量值偏差较大、元电荷的“目标函数法”求解方法问题以及油滴仪上紫外灯的使用等，若处理不好，会影响教学效果.本文认为元电荷的测量值偏差较大与显微镜分划板的准确性有关，也与实验者没有对油滴像调焦有关. “目标函数法”求解元电荷精度较高，本文对此用法进行了梳理，澄清了难点. 紫外灯不能仅仅做为改变油滴电量的手段，本文从初始带有一个元电荷的油滴开始，通过测量每次电离之后的平衡电压，用电压的比值可以直观地证明电量量子化.

双凹球面相控聚焦超声波场的产生与可视化

孔令昊, 李嘉琪, 曾天佑, 曾育锋

2022, 41(3): 78. doi:10.16854/j.cnki.1000-0712.210226

摘要 ( 794 )

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超声相控阵技术在声悬浮中有十分重要的价值，相较于传统的一维单轴声悬浮装置，本文在凹球面双发射极超声阵列的基础上引入相控聚焦原理，产生了声悬浮能力较强的声场，重点研究了声场的仿真模拟与可视化验证. 首先，介绍了自发设计的凹球面双发射极超声阵列结构，阐述了相控聚焦原理、超声驻波悬浮机理、声压与声辐射力等声学理论. 然后，根据理论分析结果，借助COMSOL Multiphysics多物理场仿真软件，仿真模拟相控聚焦超声波场. 产生该声场的各超声波换能器相位可单独控制，通过相位的实时变化，可使声场进行动态聚焦，实现微粒的悬浮与任意轨迹移动. 最后，使用单反射纹影系统实现了该声场的实时可视化，与仿真结果进行比较，证实了凹球面双发射极超声波装置相控聚原理的准确性.

封面说明

陈晓林, 田光善

2022, 41(3): 86.

摘要 ( 312 )

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