大学物理

刘翌, 袁喆

2022, 41(10): 1. doi:10.16854/j.cnki.1000-0712.220074

摘要 ( 1252 )

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弛豫时间近似是固体物理学中讨论输运问题的重要理论方法，也是凝聚态物理研究中常用的理论工具．很多固体物理学教材中缺乏对弛豫时间近似物理思想的介绍，也未能突出应用弛豫时间近似的优势．本文讨论了弛豫时间近似的物理基础，通过概念性分析得到数学表达形式，并严格求解出弛豫时间近似下非平衡分布函数的形式解，建立一套形式简洁、逻辑清晰的教学内容体系，有助于学生全面深入地理解弛豫时间近似并能够将其应用到凝聚态物理研究．

电动力学四个“识”的教学实践

胡响明

2022, 41(10): 4. doi:10.16854 /j.cnki.1000-0712.220060

摘要 ( 547 )

PDF (880KB) ( 341 )

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德识才学是科学人才的必备素养，其中“识”是指见识、见解、眼光，是一种高瞻远瞩、预见事物发展方向的能力.本文介绍电动力学教学中四个“识”的引导，一是善于大胆设想并小心求证，二是善于用实验检验科学设想，三是善于从矛盾中发现新事物，四是善于运用数学进行物理逻辑推理．这四个“识”基于科学史实，借助科学巨匠的榜样力量，有机融入麦克斯韦方程理解和应用的教学实践之中，旨在引导学生的科学观．在华中师范大学“国家基础科学研究与教学人才培养基地”（物理学）实施的情况表明，四个“识”的引导可以帮助学生增强电动力学学习的兴趣和毅力，提升未来综合发展的信心和潜力．

坐标、动量表象的不对称积分投影算符与宇称测量

王帅, 张建东, 王凤飞, 朱小芹

2022, 41(10): 12. doi:10.16854/j.cnki.1000-0712.210464

摘要 ( 758 )

PDF (799KB) ( 260 )

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量子态和算符可以完整地描述系统的量子性质，它们在量子理论中起着重要作用. 本文基于量子力学中最基本的坐标、动量表象，构造了一类新颖的不对称积分型投影算符，其为厄米算符. 利用有序算符内的积分技术，得到了该厄米算符的正规乘积形式. 进而证明了该厄密算符恰好对应于光学MachZehnder干涉仪相位估计中的宇称测量方案，给出了其物理对应.

理想气体热力学概率和分子数的关系

刘志国, 张耀辉, 王先杰, 张伶莉, 黄喜强, 王晓鸥, 张宇

2022, 41(10): 15. doi:10.16854/j.cnki.1000-0712.220008

摘要 ( 1077 )

PDF (763KB) ( 397 )

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热力学概率是统计物理学中的一个重要概念，直接和玻耳兹曼熵相联系. 本文分析了理想气体热力学概率计算中容易忽略的因素，即气体所处状态. 它会对计算施加限制条件，以保证其玻耳兹曼熵为广延量；计算了理想气体绝热自由膨胀、等温膨胀和等温等压条件下分子数变化时的热力学概率的改变.

磁偶极子源电磁场代数解与积分解的数值计算

洪德成, 王海军

2022, 41(10): 18.

摘要 ( 611 )

PDF (814KB) ( 393 )

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近年来计算物理在大学物理教育中愈加受到关注.本文由麦克斯韦方程出发，通过引入赫兹势，推导出磁偶极子源在均匀介质中激发的电磁场的代数表达式及其相应的积分表达式.采用三次样条拟合与高斯-勒让德数值积分方法联合求解其积分解，并与其代数解进行数值验证，为学生提供一个既有物理背景又有数值计算方法的电动力学计算案例.

法塔莫干纳现象的形成机理及再现实验

陈佳彬, 徐强, 王巍, 钟鸣, 陆建隆

2022, 41(10): 23.

摘要 ( 531 )

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法塔莫干纳（Fata Morgana）现象是由于光线在一定条件的流体中发生折射和全反射而呈现出的美丽而又复杂的幻象.本文分析了法塔莫干纳现象形成的物理机理，定性分析了法塔莫干纳现象单个像的伸展、收缩、倒立及多像重叠的成像机理；通过实验再现了法塔莫干纳现象；利用激光显示光路，从理论上推导了单层介质内的光线轨迹方程，分析了各种复杂现象的形成原因，并给与实验验证.

光杠杆法测杨氏模量实验的一种改进方法

张莉, 荣振宇, 王晗语, 姜恒钧, 韩玉晶, 陈小艺

2022, 41(10): 29.

摘要 ( 1761 )

PDF (992KB) ( 1163 )

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传统的光杠杆法测杨氏模量实验需要测量光杠杆平面镜到标尺的距离，而较大的距离会导致实验操作的不便.本论文在传统光杠杆法杨氏模量测定仪的标尺处安装一个带有读数装置的平移台，通过平移台的读数装置测量光杠杆平面镜到标尺距离的改变量，既可以提高实验测量的便捷性，也可以通过相同实验条件下的多次测量减小测量的随机误差.

圆偏光与石墨烯超表面相互作用的数值仿真

胡莉, 席锋, 代洪霞

2022, 41(10): 33.

摘要 ( 364 )

PDF (902KB) ( 437 )

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借助有限元分析方法模拟了圆偏光与石墨烯超表面的相互作用，揭示了圆偏光激发下石墨烯超表面的远场和近场响应特性.模拟结果显示：圆偏光可以在中红外波段激发石墨烯超表面的表面等离激元共振，其共振吸收谱与入射光的极化方向无关，无远场手性响应.但其表面电荷分布、局域电场和局域手性场却和入射光的极化方向息息相关.这种数值仿真，有利于形象直观地展示圆偏光与电磁学的相关知识，加深学生对知识的理解，培养学生的创新意识.

趋近饱和定律在纳米永磁材料磁性研究中的应用

吕庆荣, 黄靖雯, 冯双久

2022, 41(10): 37. doi:10.16854 /j.cnki.1000-0712.220019

摘要 ( 609 )

PDF (864KB) ( 451 )

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测量了纳米钴铁氧体样品在温度为5 K和300 K时的磁化曲线和磁滞回线，发现材料在低温5 K时具有很大的矫顽力，随温度升高，矫顽力下降很快.利用趋近饱和定律计算了材料在不同温度时的饱和磁化强度和磁晶各向异性常数.随温度升高，热扰动能增加，饱和磁化强度降低，计算结果与理论分析一致.磁晶各向异性是影响矫顽力的主要因素，计算表明材料在低温5 K时具有很大的磁晶各向异性常数，随温度上升，磁晶各向异性常数快速下降，与矫顽力随温度变化趋势一致.

“第二种哲学”：杨振宁科研成功的决定性因素

厚宇德

2022, 41(10): 40. doi:10.16854 /j.cnki.1000-0712.220005

摘要 ( 676 )

PDF (829KB) ( 395 )

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杨振宁认为，在他所处的科学时期，“第一种哲学”(即哲学家的哲学)不再能给理论物理学家的研究工作提供有效帮助；与对待“第一种哲学”的态度相反，杨振宁指出理论物理学家自己的“第二种哲学”却对其专业研究具有关键的决定性作用. 研究表明杨振宁的这一思想经历了“风格”说、“taste”说与“第二种哲学”等逐步清晰、愈加准确的3个阶段.辨析杨振宁在不同场合的表述，从哲学视角审视后可以发现，杨振宁的“第二种哲学”是基于物理现象的科学“经验论”；隶属于以归纳法为基础的证实论哲学范畴. 杨振宁强调“第二种哲学”本身不是思想方法，但它却具备选择有价值研究题目及选择相应研究方法的功能；这一功能往往是在潜意识状态靠直觉实现的，是理论物理学家不可或缺的创造之源.“第二种哲学”与“知识世界”相对独立又良性互动，二者不能彼此取代，合理的知识储备是“第二种哲学”发挥作用的重要保障.

大学生解决问题能力的中间层次锻炼

李祖斌

2022, 41(10): 47. doi:10.16854/j.cnki.1000-0712.210646

摘要 ( 536 )

PDF (787KB) ( 179 )

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大学教育中，培养学生解决问题的能力也是重要的组成部分.在以掌握知识点为目的的“基础层次”训练和需要较多创新能力的“高层次”能力培养之间，以课后思考题形式设置了一种“中间层次”的锻炼，用以培养学生利用所学知识解决具有一定开放性、实际性问题的能力. 另外，培养学生解决问题的能力本身是课程思政的要求，同时也可以在题目设置中融入思政元素，培养学生积极探索、追求新知的科学精神.

大学物理线上线下混合式教学探索与实践

其木格

2022, 41(10): 51. doi:10.16854/j.cnki.1000-0712.220099

摘要 ( 628 )

PDF (1007KB) ( 463 )

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后疫情时代，线上线下混合式教学正逐渐成为课程教学的主要趋势. 混合式教学可以按内容分，部分内容放在网上，部分内容放在线下；也可以按空间分，部分学生在网上学习，部分学生在线下学习；也可以按功能分，讲授部分在线下，作业、测验、答疑在线上. 本文以大学物理课程教学为例详细阐明了线上线下混合式教学的完整教学过程，与传统教学进行对比,线上线下混合式教学在应对疫情、考核评价、教学效果方面具有明显优势.

刚性球体在转动环形凹槽内的动力学行为

雷家睿, 韩润泽, 王柯人, 黄敏, 赵芸赫, 马宇翰

2022, 41(10): 55. doi:10.16854/j.cnki.1000-0712.210605

摘要 ( 743 )

PDF (1106KB) ( 471 )

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本文研究了刚性球体在绕竖直轴旋转的圆环形槽中的运动情况，发现球体的自转与公转通过摩擦力相互耦合. 理论上，给出了球平衡位置随圆环角速度增加的具体关系，并得到了球在环中具有阻尼振荡特征的动力学行为. 实验上，本文通过3D打印搭建了实验装置，结合所提出的一种测量圆弧面与物体摩擦系数的方法，定量验证了理论的若干预言.

自转多方球的内部结构

罗昕睿, 余聪

2022, 41(10): 59. doi:10.16854 /j.cnki.1000-0712.210402

摘要 ( 485 )

PDF (1053KB) ( 247 )

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本文将多方球内部的引力势能与自转带来的离心势能一并考虑进流体静力学平衡方程，并利用多方关系得到一个自转情形下可以描述恒星内部结构的微分方程，然后考虑自转较慢的情况，利用微扰展开和分离变量的方法进行近似求解，最后讨论自转多方球模型的外边界、内部密度分布及质量半径关系.

复杂蜃景的定量分析与模拟

于晓菲, 周伟, 王殿生, 王玉斗, 李代林

2022, 41(10): 67. doi:10.16854 /j.cnki.1000-0712.210321

摘要 ( 530 )

PDF (1076KB) ( 254 )

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复杂蜃景通常表现为在竖直方向上同时呈现3个以上的正立或倒立、拉伸压缩交替、扭曲的像.本文首先通过物理实验复现了这种复杂的光学现象，探究了蜃景随观测距离的变化；然后通过数值模拟定量分析了蜃景的变化规律.结果表明：蜃景的个数、位置和形状会随着观察者与介质的距离、介质折射率梯度以及介质厚度的改变而改变，其中倒立蜃景的压缩程度和出现的初始距离分别与介质梯度呈正相关和负相关，而正、倒立蜃景的间距与介质厚度呈负相关.

同极滚轮放置在铝箔上的运动状况的研究

王荣超, 徐小雯, 柳辛迪, 董琪

2022, 41(10): 75. doi:10.16854/j.cnki.1000-0712.210556

摘要 ( 457 )

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根据前人的研究，改良实验装置并分析电流的流向、温度对磁铁的影响，研究圆柱形电池以及吸附在其两端的纽扣磁铁（永磁体）组成的同极滚轮. 研究发现，当同极滚轮放置在铝箔上时，两端磁铁半径相同与不同时各自会产生不同的运动现象. 基于简化动力学理论分析滚轮的运动过程，运用仿真与实验结合得出半径相同时位移随时间变化的关系，半径不同时磁铁半径与磁铁运动半径的关系.

暗物质和修正引力理论的研究进展

郑雪瑶, 康现伟, 张丰收

2022, 41(10): 80. doi:10.16854 /j.cnki.1000-0712.220041

摘要 ( 754 )

PDF (901KB) ( 411 )

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本文介绍并比较了暗物质模型和修正牛顿引力理论.一方面，介绍了暗物质模型的提出背景和支撑暗物质模型的证据，接着讨论了暗物质备选粒子和现有暗物质探测的方法.另一方面，阐述了修正牛顿引力理论的发展历程，进而总结了该理论现有进展以及未来研究方向.本文最后综合讨论了这两种理论各自的优势和局限，评述了各种研究的意义以及未来的发展方向.

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