大学物理

涂涛, 郭奥林, 李传锋, 郭光灿

2022, 41(8): 1. doi:10.16854/j.cnki.1000-0712.210616

摘要 ( 732 )

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量子力学是物理学专业本科生的基础核心课程，同时其内容又与现代物理学的诸多研究前沿紧密联系在一起. 本文针对量子力学中比较抽象的表象变换理论，结合中微子振荡这一研究前沿作为具体的教学案例. 在教学中，我们首先引入中微子的味表象和质量表象，然后可以比较直观的建立起两种表象之间的表象变换矩阵，其中的矩阵元具有清晰的物理含义：表示不同中微子质量本征态之间的混合. 利用这一表象变换理论，我们可以分析中微子的含时演化行为，并与实验观测到的中微子振荡现象进行比较，发现理论分析能够很好的解释实验现象. 在教学中引入这一前沿案例，不但有助于学生们更加直观的理解表象变换理论，而且可以拓展学生们的视野，激发他们进一步深入研究的兴趣和热情.

一种求解三维简约布里渊区体积的方法

李建军, 张振东

2022, 41(8): 7. doi:10.16854/j.cnki.1000-0712.210521

摘要 ( 1297 )

PDF (839KB) ( 349 )

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简约布里渊区体积的求解是固体物理学中的一个重要知识点，当前，根据不同布里渊区的结构形式，其体积的具体求解方法一般不同，这导致该知识点的教学难度增加. 本文提出将简约布里渊区离散为以波矢空间原点为共同顶点的多个棱椎体，使布里渊区体积的求解转化为求各棱椎体积和的形式，并以面心立方和体心立方布里渊区体积的求解为例进行了应用，得到布里渊区体积与倒格子原胞的体积相同. 结果表明，该方法具有简单、直观和普适性的优点.

独辟蹊径——有心引力场天体运动的系统研究

周游, 俞潇潇

2022, 41(8): 10. doi:10.16854/j.cnki.1000-0712.210450

摘要 ( 696 )

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天体绕中心天体的运动是研究两个可以视为质点的天体在万有引力作用下的动力学问题，也是天体力学中最基本的二体问题，因此它具有很重要的意义. 本文独辟蹊径地利用守恒原理简便解决了有心力场运动问题，系统地研究了绕中心天体运动的天体运行轨迹、运行速度和运行时间，建立了轨道离心率、位置坐标和运行速度、运行时间的代数关系. 同时推导出的公式通过了哈雷彗星轨道的实际检验，显示出良好的精确性.

对经典力学中的轨道角动量和自转角动量的探讨

林正喆, 陈熙

2022, 41(8): 15. doi:10.16854/j.cnki.1000-0712.210535

摘要 ( 801 )

PDF (839KB) ( 454 )

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角动量是力学中的重要概念.本文建立了经典力学中质点系的轨道角动量和自转角动量的概念，使经典力学的理论体系更加完备，并通过几个例子阐述其应用意义.在经典力学中引入轨道角动量和自转角动量的概念，能够使学生加深对角动量的理解.

用矩阵研究一维弹性碰撞与圆周率的关系

岳国联, 黄绍书, 周奎, 张利纯, 赵庆文

2022, 41(8): 19. doi:10.16854/j.cnki.1000-0712.210350

摘要 ( 633 )

PDF (993KB) ( 458 )

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采用二阶矩阵高次幂计算一维完全弹性碰撞中多次碰撞后速度的一般表达式，并对碰撞次数分两种情形进行分析，得出实际碰撞总次数与圆周率对应的关系，在此基础上导出用碰撞总次数与两弹性滑块的质量比来近似计算圆周率的表达式及误差估计.

拉梅系数在力学中的应用

周健, 马瑛晗, 毛英臣

2022, 41(8): 26. doi:10.16854/j.cnki.1000-0712.210528

摘要 ( 987 )

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从拉梅系数的定义出发，计算了常用的正交曲线坐标系的拉梅系数，并给出了利用拉梅系数表示的线元、面元和体元．结合具体问题，讨论了拉梅系数在运动学和分析力学中的应用，通过分析可知拉梅系数揭示了一类物理问题的数学基础，利用拉梅系数有助于简化对该类问题的理解，减少计算步骤．此外，利用拉梅系数还有利于对力学知识串联整合．

带电细圆环与导体圆柱面系统静电问题的研究

袁晓忠, 刘世勇

2022, 41(8): 30. doi:10.16854/j.cnki.1000-0712.210571

摘要 ( 593 )

PDF (989KB) ( 517 )

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研究了由两均匀带电全同细圆环与无限长接地导体圆柱面构成的静电系统，在柱坐标系下用δ函数表示线电荷的体分布函数，将带边界条件的泊松方程转化为拉普拉斯方程后精确求解．分析了系统中的电势分布，由电势得到圆柱内表面感应电荷面密度，计算了感应电荷在系统轴线上产生的电场，发现在适当条件下，由于感应电荷的影响，轴线上一对等量同号点电荷受到的静电力为吸引力．

论相对论坐标变换的线性特性

郜青, 龚云贵

2022, 41(8): 35. doi:10.16854/j.cnki.1000-0712.210623

摘要 ( 554 )

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通常的力学、电动力学及相对论教材中都是用时空的均匀各向同性一句话来说明相对论变换必须是线性变换. 在实际教学中，很多学生都对这种说法表示难以理解. 而物理科学就是要用严谨的数学来说明简单的物理思想. 本文利用狭义相对论的两个基本原理及时空均匀各向同性严格证明惯性坐标系之间的相对论坐标变换一定是线性变换.

对换气式空气热机原理的再讨论

路峻岭, 顾晨, 任乃敬, 马泊一

2022, 41(8): 38. doi:10.16854/j.cnki.1000-0712.210544

摘要 ( 564 )

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本文涉及的换气式空气热机实质上是一种单活塞热机，在气缸内与活塞刚性地连接上一个膨胀体（换位活塞），当活塞在气缸内运动时膨胀体也一同运动，同时设置了气缸与外界适时开启的导气孔. 膨胀体的作用是它的占位迫使气缸内的工质空气在高、低温两个热源之间变换. 在空气工质经过高温热源后开始被压缩时（活塞处于简谐振动平衡位置时）导气孔打开一下，气缸内的高温空气工质部分地被排出气缸，以减小对活塞运动的阻力；在空气工质经过低温热源后开始膨胀时（活塞处于简谐振动平衡位置时）导气孔打开一下，外界的空气经过小孔进入气缸，以增大对活塞的推力. 活塞在气缸中运动，每经过一个周期导气孔开启两次，综合效果为空气工质对活塞做了正功，在PV图上表现为空气工质的状态参量完成了一次热机正循环.

基于外腔面发射激光器的激光原理与技术实验研究

盖磊

2022, 41(8): 42. doi:10.16854 /j.cnki.1000-0712.210466

摘要 ( 534 )

PDF (1020KB) ( 263 )

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本文通过构建包括泵浦光源、准直聚焦系统、增益芯片、耦合输出镜、倍频晶体和标准具等在内的积木式实验器件，建立了基于外腔面发射激光器的激光原理与技术的综合实验，实现了激光基本原理、频率变化技术、波长调谐技术等实验内容.本实验综合了激光技术的相关原理，将先进的科研理论知识与实验实践相结合，并提供了多种设计性实验内容，提升学生学习自主性，达到推进实验教学工作的目的.

压电效应演示实验的新设计

咸夫正, 王春明

2022, 41(8): 47. doi:10.16854/j.cnki.1000-0712.210477

摘要 ( 684 )

PDF (1161KB) ( 530 )

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本文设计了实验装置与实验方案，用于演示正压电效应与逆压电效应，并研究了机械能与电能的相互转化关系. 在正压电效应演示实验中，利用电磁铁激励压电双晶片振动，利用示波器观察激励信号与产生的电信号；电信号频率与激励信号频率保持相同，电信号幅值与激励信号幅值成正相关，电信号幅值随激励信号频率先增大后减小. 在逆压电效应演示实验中，利用直流电压源激励压电双晶片产生形变，利用光杠杆放大微小形变；压电双晶片的形变量与激励电压值成线性关系. 相比于现有演示实验，新设计的实验中研究了机械能与电能的相互转化关系，有助于加深实验者对压电效应原理的理解.

沃尔顿:从实验家到大先生

姜雨婧, 陆建隆

2022, 41(8): 52. doi:10.16854/j.cnki.1000-0712.210577

摘要 ( 499 )

PDF (859KB) ( 289 )

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相对论是爱因斯坦对人类做出的最伟大科学贡献，特别是脍炙人口的质能方程.但世人却对用实验证明爱因斯坦质能方程的物理学家们不甚了解，直到曼哈顿工程造出原子弹才知晓.其实早在1932年，来自爱尔兰的沃尔顿和来自英国的科克罗夫特在分裂原子的过程中，他们成功通过实验的方式证实了爱因斯坦质能方程的等价性.沃尔顿和科克罗夫特两人由于1932年“用人工加速粒子产生原子核嬗变”这项伟大成就共享了1938年的休斯勋章以及1951年的诺贝尔物理学奖.相比于科克罗夫特的热情与外向，沃尔顿为人低调温和、谦虚内敛，也许正是因为他安静的性格，使得许多人忽视了他杰出的科研成就与卓越的社会贡献.本文以质能方程验证90周年为契机，向广大读者详细全面地介绍这位低调却备受爱尔兰人民爱戴的物理学家——沃尔顿.

基于Jupyter lab简谐振动及其合成与分解人机交互式教学模式的探索

吴涛, 刘阳, 王世芳

2022, 41(8): 59. doi:10.16854/j.cnki.1000-0712.210400

摘要 ( 403 )

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本文基于Jupyter lab/notebook交互式教学平台并导入三维模拟仿真计算第三方库Vpython，对大学物理教学中简谐振动这一模块的内容进行了较全面的人机互动、可视化教学模式研究. 该教学模式提供了促进学生物理概念理解与物理图像建立的新手段，对提高学生学习兴趣，培养学生计算思维，探索“新工科”教学模式改革提供了借鉴，其交互式形象化教学展示方式和编程技巧可以推广到其它大学物理的教学模块.

多元融合的对分课堂模式在“大学物理”教学中的实践

马玲, 陈鑫, 蔺百童, 郝睿, 高永伟, 张轶炳, 李学丰

2022, 41(8): 65. doi:10.16854 /j.cnki.1000-0712. 220004

摘要 ( 431 )

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本文针对大学物理教学中存在的“教学组织和评价形式单一、学生主动学习意识不强、课堂效能较低”等问题，实施多元融合的对分课堂教学模式的创新实践. 对分课堂主张教师精讲、学生自学和讨论交流，培养学生独立思考和沟通协作能力；融入思政元素，激发学生民族自信心和自豪感；引入演示实验，结合实验现象促进学生深刻理解物理本质；开展项目式教学，营造科研情境，实现学生深度学习；加强过程性考核，形成多元化评价学生的合理量规；依托信息化平台，有效整合教学资源，全面提升教学管理效能. 该教学模式落实了“教师为主导，学生为主体”的教学理念，适应了新工科背景下课程建设内涵发展和新型工程人才的培养需求.

二体问题的探讨

林灏宸, 马丽

2022, 41(8): 71. doi:10.16854/j.cnki.1000-0712.210499

摘要 ( 796 )

PDF (844KB) ( 709 )

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二体问题在物理学中非常常见，尤其是在碰撞和天体问题中应用广泛，当多体问题中摄动力远小于二体间相互作用力时，可将其近似看成是二体系统. 本文从变换参考系和能量守恒两个角度推导出柯尼希定理，引出折合质量对二体问题进行修正，提出等效一体化的思路来处理问题，简化了二体问题的讨论. 此外还引入了退化椭圆求时间的方法，巧妙求解两物体在平方反比作用力下从相对静止到碰撞的时间问题. 最后，对二体问题的多解法进行了讨论与改进，用天体系统二体问题的结论类比两个点电荷问题，避免书中积分的繁琐，突出了对问题等效一体化处理的优越性.

萨克逊碗沉没耗时的数值求解

张廷钧, 石昕宇, 王徐升

2022, 41(8): 76. doi:10.16854/j.cnki.1000-0712.210515

摘要 ( 606 )

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萨克逊碗是古代萨克逊人的计时工具，它的底部中心有一个孔，放在水面上一段时间后会自动沉没.本文通过伯努利方程和边界层理论建立模型，再进行数值求解得到碗的沉没耗时，并将其与实验数据进行对比.结果表明：当碗的外径大于10倍孔径时，液体的流动模式为层流，此时模型能很好地描述各种实验结果，包括沉没耗时随孔径、碗的质量和液体密度的变化.模型还揭示了两种极端情况下的现象：一是随着碗的质量增大，沉没时间将趋于0；二是随着液体密度超过碗的密度，碗将不会下沉.模型的主要优点为在适用范围内能精确地描述实验数据，以及速度矫正项CD的不敏感性和普适性.其不足之处主要在于难以描述湍流以及表面张力阻止液体通过小孔流入的情况.

利用迈克耳孙干涉仪测量滤光片特性参数

高崇涵, 安炜, 王峥, 徐平

2022, 41(8): 81. doi:10.16854/j.cnki.1000-0712.210611

摘要 ( 484 )

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滤光片是一种能够从白光或其他复色光中分选出一定波长范围光的光学元件，其主要参数为中心波长和带宽. 本文利用迈克耳孙干涉仪搭建了傅里叶变换光谱仪，测量了窄带滤光片的特性参数，并和传统的衍射光栅法进行了对比分析.使用迈克耳孙干涉仪搭建的傅里叶变换光谱仪获得光谱的过程无需已知光谱灯的校准，得到的窄带滤光片特性参数更为精确，且能够更加综合地锻炼学生的实验能力.

封面说明

陈晓林, 田光善

2022, 41(8): 82.

摘要 ( 232 )

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