大学物理

波动方程在界面的衔接问题

杨师杰

2023, 42(11): 1. doi:10.16854/j.cnki.1000-0712.230051

摘要 ( 454 )

PDF (529KB) ( 494 )

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本文研究在不连续介质中波动方程的本征模及其背后的物理机制，探讨波在界面的反射和透射规律，揭示了在特定参量条件下机械波发生全透射的效应，这一效应可能会在吸波材料中有应用价值.

转动刚体角动量的复杂关系——兼谈不同参考系选择的意义

董科, 周雨青

2023, 42(11): 5. doi:10.16854/j.cnki.1000-0712.230023

摘要 ( 507 )

PDF (958KB) ( 532 )

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一道貌似简单的刚性陀螺运动题，牵扯出大学物理教学中一个被忽略的问题——刚体同时绕相互垂直的轴旋转时角动量的计算.本文从一道题目的解答入手，阐述刚体（陀螺）旋转的角动量复杂关系，推导出简易、约束陀螺的正确角动量变换关系.同时讨论选择惯性参考系与非惯性参考系时对问题求解有不同难度的问题.

一般多普勒效应的综合统一分析

周强, 刘静, 李鹏

2023, 42(11): 8. doi:10.16854/j.cnki.1000-0712.230047

摘要 ( 318 )

PDF (788KB) ( 425 )

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在物理学教材中分别给出了声波和光波的多普勒效应公式，但两者表达式不同.一些文献分析了两者间的联系，但没有真正地将两者统一起来；另一些文献虽作了统一分析，但均在特殊洛伦兹变换下讨论问题，所得结果又不具有一般性.本文在不区分声波与光波的情况下，基于波动传播的共同本质，综合运用多种方法导出一般多普勒效应的表达式，系统地论证两者的统一性.通过分析得到了一般多普勒效应的3个等价表达式，而教材中声波与光波的多普勒效应公式乃是其不同情况下的特例.

从点电荷到场的升华——大学物理中关于电磁学教学的思考

秦吉红, 邱红梅, 许军军, 梁颖

2023, 42(11): 14. doi:10.16854/j.cnki.1000-0712.230021

摘要 ( 492 )

PDF (731KB) ( 1408 )

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电磁学是工科大学物理课程的重要内容之一，其中如麦克斯韦方程组等诸多抽象公式对于初学大学物理的一年级新生有一定的难度.本文围绕“场”这一核心内容，通过“实验规律→场的性质→场与物质的相互作用”这条线索将整个电磁学的内容贯穿起来，讨论如何实现从点电荷到场的升华，最终得到关于场的统一理论.并以变速运动点电荷为例，说明场描述下的麦克斯韦方程组的解如何超越静电场的高斯定理，以问题为导向，引导学生在探究和思考中深入理解电磁学的核心内容.

基于笔式鼠标和微晶导电板测绘静电场

曹彦鹏, 张稚兰, 包职刚, 马巧云, 周严

2023, 42(11): 18. doi:10.16854/j.cnki.1000-0712.230038

摘要 ( 269 )

PDF (916KB) ( 358 )

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静电场的测绘是大学物理实验中的重要内容，然而目前使用的静电场测绘仪存在固有误差大、人工寻找点效率低、数据处理易受影响等缺点.设计开发利用鼠标和微晶导电板测绘静电场，实验过程中使用笔式鼠标和Geogebra软件实时定位、记录静电场中等势点的坐标，用Origin软件进行数据处理并可视化静电场.此设计减小了仪器系统误差，提高了找点的效率，改善了实验的可操作性；采用软件自动拟合处理实验数据，避免了手绘等势线造成的误差，增加了实验的严谨性.

基于全反射的透明液体浓度测量装置设计

崔静莹, 韩文琪, 辛硕, 谢桢, 李化禹, 王凯歌

2023, 42(11): 23. doi:10.16854/j.cnki.1000-0712.230153

摘要 ( 416 )

PDF (638KB) ( 620 )

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结合光学原理，利用全反射，设计测量透明液体浓度的实验装置.由亚克力板容器盛装待测液体，研究激光在液体中发生全反射时的光路参数，通过测量两个长度尺寸，计算得到透明液体的折射率，基于透明液体折射率与浓度之间的线性关系，进而得到其浓度.蔗糖溶液和NaCl溶液的测量数据结果表明，折射率的相对误差在0.4％以内，浓度的绝对误差在0.7%以内.该实验装置具有结构简单、操作简便、测量精度高、成本低廉、现象明显等优点.

稳态法测量冰导热系数的实验研究

黄嘉豪, 王英连, 廖旭辉, 雷霆, 万烨然, 赖文标

2023, 42(11): 28. doi:10.16854 /j.cnki.1000-0712.220588

摘要 ( 441 )

PDF (487KB) ( 657 )

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测量固体导热系数的方法有很多，但能直接应用于冰的测量方法并不多. 考虑到冰的零下低温环境等问题，本实验基于稳态法，根据傅里叶导热定律对相关细节进行了设计与改进，先后研究了待测冰直径与厚度的比值、环境温度和含盐率对冰的导热系数的影响. 结果表明待测冰的直径厚度比值为12时，导热系数有最佳值2.25 W/m·K，且最佳测量环境温度为-10℃；不同浓度盐水冰的导热系数相比于纯水冰显著下降，且随着含盐率的升高降幅逐渐减小.

电流元观点下均匀磁化球体内部磁场问题的等效求解

曹修齐, 邵瀚雍

2023, 42(11): 32. doi:10.16854/j.cnki.1000-0712.230083

摘要 ( 503 )

PDF (450KB) ( 622 )

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与磁介质相关的一个典型问题是计算均匀磁化球体内部的磁场分布，即求解空间中半径为R、均匀磁化强度为M的球体内部的磁感应强度B的分布. 若取球体表面或球体体积作为微元，对球内一点的磁场与积分上下限的表达式将难以解析求解；而传统的磁荷观点求解方法往往缺失了对磁荷等价性的严格论证，因此目前尚无在普通物理的知识背景下简洁严谨的求解方案. 因此，本文在符合物理本质的电流元观点下，利用割补和等效替代的思想，用简明的推导给出了该问题的等效解法，对电磁学中的相关教学研究有较好的启发作用和参考价值.

三维线性谐振子量子性运动图像的可视化探究

石浚希, 范晓鑫, 鄂依婷, 孔令阳, 齐欣, 舒崧

2023, 42(11): 35. doi:10.16854 /j.cnki.1000-0712.220612

摘要 ( 368 )

PDF (2195KB) ( 372 )

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本文从量子力学中三维线性谐振子在直角坐标和球坐标系下的波函数出发，采用蒙特卡罗方法对空间概率函数进行了抽样，并采用Mathmatica软件对不同坐标系下谐振子运动的概率云图像进行了可视化呈现，进一步结合可视化图像对两种坐标系下不同量子数分解方式下得到的系统量子性运动特征进行了详细的对比研究，并从量子力学理论角度分析了对应的物理意义.

偏振光的干涉实验改进

尚劲光, 陈茂祥, 凌云凤, 吕寿坤, 平力, 刘眉洁

2023, 42(11): 42. doi:10.16854 /j.cnki.1000-0712.220543

摘要 ( 495 )

PDF (675KB) ( 623 )

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偏振光干涉实验是大学物理实验教学中重要的组成部分.本文基于马赫-曾德尔光路，自主搭建光路观察偏振光的干涉现象，量光强变化，判断偏振光的偏振形态，测量实验室环境下的空气折射率.并在此基础上完成了数据处理和误差分析，根据实验数据可知，本实验的误差均在5％以内.改进后的实验装置不仅原理清晰直观，还可以通过添加某种光学元件进行拓展应用，提高了大学物理实验教学的效率，调动了学生参与实验的积极性.

蜡烛动力涡旋机扭矩的近似计算

巩伊鸿

2023, 42(11): 48. doi:10.16854/j.cnki.1000-0712.230022

摘要 ( 341 )

PDF (736KB) ( 501 )

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本文来自2022年IYPT的赛题，主要探究蜡烛周围流场性质并用数学方法研究纸螺旋转动时的扭矩. 蜡烛周围流场性质通过查阅文献得出并由数据验证. 流场用COMSOL Multiphysics仿真模拟并用纹影法可视化. 又用两种方法推导纸螺旋扭矩的影响因素. 积分得到纸螺旋转动惯量的表达式. 用实验数据拟合纸螺旋转动的运动曲线并求出角加速度. 最终计算扭矩，然后分析其与纸张密度、悬挂高度、纸螺旋层数的定性关系. 本文用实验数据还验证了上述方法的合理性.

基于理论力学和计算机模拟的摆动螺丝研究

王梓豪, 卞艺杰

2023, 42(11): 55. doi:10.16854/j. cnki.1000-0712.230005

摘要 ( 329 )

PDF (1163KB) ( 388 )

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本文首先基于理论力学的运动学、动力学方程，建立了相对完整的摆动螺丝物理模型，通过计算机模拟得到了与实际情况吻合的螺丝运动的数值解. 其次，在此基础上进一步研究模型相关参数对摆动螺丝振荡的影响及其规律. 研究发现对于同一螺丝，螺丝摆角曲线主要与初始摆动角度、根部摩擦系数、螺帽摩擦系数和斜面倾角有关，根部摩擦系数与螺帽摩擦系数影响较大. 然后，本文给出了螺丝振荡增大和不同模型参数下螺丝振荡的现象的解释以及与模拟实验结果符合的经验公式. 最后说明了模型的优缺点.

第23届亚洲物理奥林匹克竞赛（APHO）理论问题1: 国际空间站（ISS）轨道衰减动力学【10.0 分】

王若鹏、孟策、李智、荣新

2023, 42(11): 61.

摘要 ( 340 )

PDF (703KB) ( 357 )

高健智, 王恒通

2023, 42(11): 65.

摘要 ( 198 )

PDF (829KB) ( 311 )

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