大学物理

关于拉比强信号理论的疑问和思考解答

陈培锋, 阮俊晖

2023, 42(4): 1. doi:10.16854 /j.cnki.1000-0712.220218

摘要 ( 351 )

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拉比强信号理论是激光与原子相互作用中一个非常重要的理论.在教学过程中，通过学生所提出的问题，本文从其结论进行分析，发现拉比强信号理论的结果与原子初始条件有很大的关联.通过这种分析进一步理解了量子力学的结果中相位往往起着很大的作用.

X射线衍射和倒易点阵

黄冰心, 强文江

2023, 42(4): 4. doi:10.16854 /j.cnki.1000-0712.220329

摘要 ( 717 )

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X射线衍射和倒易点阵概念抽象，是学习的难点，X射线衍射分析的理论基础是倒易点阵，倒易点阵构建的基础是X射线衍射，两者互为基础. 然而，大部分教科书中X射线衍射和倒易点阵都是分开讲解，更是给学习理解带来了困难，本文系统介绍了X射线衍射原理，并基于X射线衍射引出倒易点阵，将X射线衍射和倒易点阵统一讲解，使学习理解更加容易.

利用诺特定理和泰勒展开引入薛定谔方程

杨晓宁, 王锋, 李军刚

2023, 42(4): 13. doi:10.16854/j.cnki.1000-0712. 220257

摘要 ( 482 )

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在量子力学中，薛定谔方程用于描述微观粒子运动状态随时间变化的规律，其重要意义不言而喻.在传统教学中薛定谔方程一般作为定义直接被引入或者由实验事实波粒二象性出发逐步导引建立从而被引入，但传统的导引建立方法具有一定跳跃性，逻辑不严谨，缺乏深层原理支撑，不利于部分学生的深入理解.本文旨在从对称性和守恒量存在一一对应关系的深层原理架构出发，以泰勒展开为基础进行数学推导，在学生已经具备一定量子力学和数学知识的基础上循序渐进地引入薛定谔方程.首先，文中介绍了传统的引入方法.其次，在回顾泰勒展开的基础上引入了泰勒平移的概念，形成新旧知识的有机结合并进一步激发学生创造性思维.最后，利用泰勒平移概念结合诺特定理自然引出了薛定谔方程.

光谱干涉及其在非透明样品厚度测量中的应用

杨永佳, 张伟, 覃珍珍, 陈浩, 周自刚

2023, 42(4): 17. doi:10.16854/j.cnki.1000-0712.220251

摘要 ( 346 )

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针对金属带材等非透明样品厚度的高精度原位测量问题，本文基于光谱干涉绝对距离测量的基本原理，提出了一种结构紧凑、全光纤的非透明样品厚度非接触式差分测量方法. 首先介绍了光谱干涉的基本原理及绝对距离测量的具体实现，然后设计、搭建了一套全光纤差分光谱干涉测量非透明样品厚度的原理验证光路，并开展了原理验证实验，实现了标准量块厚度的高精度测量，最后对该方法的测量误差进行了分析，分析结果表明，采用该方法可以达到亚微米级的厚度测量精度.

基于光纤温度和应变传感器的物理创新实验

张刚, 葛强, 王辉升, 吴许强, 俞本立

2023, 42(4): 21. doi:10.16854/j.cnki.1000-0712.220203

摘要 ( 584 )

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为了实现温度和应变同时测量，本文设计了一种基于多模干涉的光纤温度和应变传感器.该传感器利用光纤熔接机将一段细保偏光纤和一段细芯光纤错位熔接后引入萨格纳克环中而制成.由于光纤错位和模场失配，传感器内存在偏振模干涉和纤芯模-包层模干涉.对不同温度和应变作用下采集到的传感器透射谱进行滤波处理，可提取两种干涉对应的透射谱.基于透射谱中两个不同波谷的温度和应变灵敏度建立同时测量矩阵，即可实现温度和应变的同时测量.实验数据显示该传感器的温度和应变分辨率分别为0.30 ℃和13.50 με.本实验可以作为物理和光电相关专业本科生物理创新实验，帮助大学生掌握光纤传感原理、实验技能和数据处理与分析方法.

利用分离变量法求解轴对称平衡态磁场

郭诗雨, 吴宛芸, 余聪

2023, 42(4): 28. doi:10.16854 /j.cnki.1000-0712.220379

摘要 ( 356 )

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分离变量法是一种常用的处理轴对称磁场位型的方法.利用分离变量法甚至可以针对较为复杂的磁场位型，例如含有电流源项的磁场位型，得到较为理想的结果.本文介绍了磁场势函数与流函数的正交关系，并利用分离变量法，考虑双电流源的影响，求解了太阳日冕的无力轴对称平衡态磁场的流函数，并绘制了相应的流函数图像，表明了分离变量法求解较复杂的轴对称平衡态磁场的可行性.

双圆柱定程干涉法测量空气黏度

邓沂静, 范均, 崔悦, 罗莹莹, 金龙馨, 陈溢杭

2023, 42(4): 34. doi:10.16854 /j.cnki.1000-0712.220195

摘要 ( 357 )

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本文通过改变声波信号的频率，在一个固定尺寸的封闭型双圆柱腔体内形成驻波的方法测量空气的黏度. 基于声学微扰理论，空气黏滞性会造成声波传播过程中能量的耗散，导致实际共振频率偏离理想共振频率. 利用扫频仪得到频谱图，通过读取频谱图上空气的实际共振频率，与理论计算得到的频率进行对比，最后计算出空气的黏度. 本文首先测量了室温下24.5 ℃时空气的黏度，测量结果为1.78×10-5 pa·s，与公认值较吻合，相对误差为2.94%. 进一步测量了不同温度下的空气黏度，验证了空气黏度随温度升高而增大的规律.

带颈注水瓶几何参数对其发声频率的影响

时兆龙, 吕伟, 马浩然, 刘鸿宇, 吴建光, 邹勇

2023, 42(4): 39.

摘要 ( 266 )

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针对带颈瓶子在注水过程中的发声现象，本文探究了带颈瓶子的几何参数对其发声频率的影响. 将实验中的容器等效为亥姆霍兹共振腔体，并利用亥姆霍兹共振系统理论得出频率与该带颈注水瓶几何参数的关系，并通过实验进行验证. 实验中采用Adobe Audition CS6对录制的声音进行采样，用控制变量的方法依次探究几何参数的改变对声音频率的影响，对获得的数据进行整理分析，实验结果显示瓶子的颈长越短，颈截面积越大，声音频率越高，形状的变化对声音频率无影响. 理论和实验吻合很好，利用亥姆霍兹共振系统可以很好地解释注水过程中瓶子的发声现象.

基于Unity3D的电流表改装虚拟实验系统

吴志轩, 后泽鑫, 张俊杰, 武伟, 王增旭, 李永涛

2023, 42(4): 44. doi:10.16854 /j.cnki.1000-0712.220331

摘要 ( 418 )

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为了帮助线上物理实验课程的开展，同时进一步实现实验操作的上机考试，本文在Unity3D平台上设计开发了“电表改装”的虚拟仿真实验软件，使用软件可以进行电路连线和实际所有可控器件的调节，实现了实验过程的完全仿真，虚拟仪器在外观、操作步骤和精度上与教学使用的实验仪器一致，同时虚拟仪器配有简洁的UI界面，能够帮助学生在电脑上进行实验原理和实验过程的预习和复习. 本文详述了虚拟仪器的设计方法和参数的选择依据.

探究耦合双摆系统测度同步的影响因素

裴文杰, 王新刚, 郑华

2023, 42(4): 51. doi:10.16854/j.cnki.1000-0712.220254

摘要 ( 392 )

PDF (630KB) ( 125 )

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同步是自然界中普遍存在的一种现象，是许多复杂系统实现功能的动力学基础.本文首先对无耗散耦合双摆系统进行建模，然后利用Matlab软件对影响测度同步的因素进行分析，包括横梁和摆锤之间的质量比、两个摆的长度差和质量差等. 研究发现，随着横梁和摆锤的质量比的减小，两个摆之间的耦合强度逐渐增大；当质量比达到某一阈值时，两个摆达到测度同步并且相位相反. 同时发现，随着两个摆的摆长差和质量差的增加，两个摆之间的同步能力将会变弱，系统将出现退同步现象.

霓虹的重现及其偏振和干涉研究

张书玮, 陈乾, 黄兆聪, 李家奇

2023, 42(4): 57. doi:10.16854 /j.cnki.1000-0712.220336

摘要 ( 473 )

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本文基于2021年全国大学生物理竞赛（创新赛）的命题之一“霓虹现象的设计与重现”，设计了一种基于超连续谱激光器的霓虹重现方案，得到了很好的实验效果. 相比已报道的霓虹实验，本文的方案既能呈现清晰的霓虹现象，又能定量测量霓虹的偏振和干涉等波动光学特性. 本实验从生活中常见的物理现象出发，契合大学物理教学中的波动光学内容，是一个集趣味性和探究性一体的课题物理实验教学案例.

实验室虹霓复现及仿真叠加装置

杨梓璇, 张丹旭, 童童, 郭永利, 毛胜春, 王雪冬

2023, 42(4): 60. doi:10.16854/j.cnki.1000-0712.220252

摘要 ( 298 )

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虹和霓是太阳光在雨后天空中的大量小水滴中发生折射与反射后形成的现象，具有重要的研究意义. 本论文用直径合适且相等的实心匀质透明球代替水滴，用复色光源以合适的角度与距离照射，使虹、霓现象复现. 在此基础上分别进行了单球、双球复现虹霓现象及多球实现虹霓叠加的实验，利用光谱分析技术测量复现出的虹霓光谱. 本文所设计的装置集现象演示与参数测量于一体，在光学实验教学和科普教育中具有重要的实际应用价值.

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