大学物理

李海凤, 陈康康, 王欣茂

2024, 43(02): 1. doi:10.16854/j.cnki.1000-0712.230189

摘要 ( 516 )

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本文通过严格求解定态薛定谔方程,研究了一维对称三方势垒的量子隧穿特性,解析地给出透射系数的精确表达式,并且数值模拟了势垒高度、势垒间距以及粒子入射能量对透射系数的影响.结果表明：当取不同的势垒宽度,或者不同的粒子入射能量时,透射系数随着势垒间距的增加而呈现出明显的周期式振荡.将一维对称双方势垒和三方势垒进行比较,透射系数随着势垒间距的增大,均呈现周期性振荡,并且振荡周期相同,但三方势垒振荡更剧烈,振幅越大,并且三方对称势垒是双峰曲线, 而双方对称势垒是单峰曲线.该特性为设计新型纳米器件以及共振隧穿量子器件等提供理论指导.

不稳定约束系统的多角度分析

朱仁贵, 黄万霞

2024, 43(02): 5. doi:10.16854/j.cnki.1000-0712.230081

摘要 ( 239 )

PDF (514KB) ( 217 )

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不稳定约束相较于稳定约束增加了问题的复杂性，但不稳定约束问题蕴含了更多的处理手段. 通过转换参考系，以及灵活选用适当形式的拉格朗日方程或能量积分，可实现多种途径求解. 通过不同解法的对比，可验证教材中容易忽略的一些结论，如：理想约束不依赖于参考系的选择、理想约束力即使做实功也不影响保守系拉氏方程的适用等. 通过对不稳定约束问题进行多角度分析，可以有效地提高学生对分析力学重要知识点的理解和运用能力.

非稳态导热问题分析解特征函数正交性的讨论

靳万龙, 石万元, 车得福

2024, 43(02): 8. doi:10.16854/j.cnki.1000-0712.230085

摘要 ( 215 )

PDF (535KB) ( 210 )

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非稳态导热问题分析解是传热学中十分重要的内容之一，多数传热学教材对特征函数正交性的论述较为简略，影响了对求解过程的理解. 本文以大平板非稳态导热问题分析解求解过程为例，重点讨论了特征函数正交性的含义、特征函数正交性的证明以及特征函数正交性的应用，给出了保持求解过程连贯、帮助学生理解的教学建议，为非稳态导热问题分析解及其数学解析过程的教学提供了参考.

澄清对多普勒效应的几点误解

李子良, 陆丁

2024, 43(02): 13. doi:10.16854/j.cnki.1000-0712.230033

摘要 ( 336 )

PDF (521KB) ( 429 )

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详细讨论了波源和观察者在垂直二者连线方向上运动时是否会产生多普勒效应，波源和观察者之间的相对位置是否会影响多普勒效应，火车经过观察者时汽笛的音调是否是先越来越高后越来越低等三个容易对多普勒效应产生误解的地方，并给予澄清．特别地，推导出了波源和观察者沿任意方向运动时的精确的多普勒效应公式，证明了多普勒效应与波源和观察者之间的相对位置无关．

再谈半波损失和薄膜干涉

刘家明

2024, 43(02): 16. doi:10.16854 /j.cnki.1000-0712.230052

摘要 ( 612 )

PDF (627KB) ( 609 )

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本文的主要内容有四点.一是对近期本刊发表的《光由光密介质射向光疏介质时半波损失的条件》作补充讨论，给出一些数学公式上的解释和相应的物理情景. 二是讨论该文中谈到的一些关于半波损失的看法，并指出当偏振平行于入射面的光从光密介质入射到光疏介质、且光密介质折射率远大于光疏介质折射率时，一般不会有半波损失. 三是给出薄膜干涉的定量计算结果，展示了在通常情况下，教科书上的薄膜干涉公式结果与按菲涅耳公式计算的结果是非常接近的. 四是指出，教科书上的薄膜干涉公式所指示的暗纹条件恰好是正确的，但对于亮纹条件，在某些情况下，该公式会得出完全错误的结果.

边界附近匀加速Unruh-DeWitt粒子探测器的响应

周文婷

2024, 43(02): 23. doi:10.16854/j.cnki.1000-0712.230084

摘要 ( 182 )

PDF (853KB) ( 153 )

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本文采用含时微扰论计算了真空中平行于一块全反射导体板匀加速运动的Unruh-DeWitt粒子探测器的跃迁速率.通过将结果分别与无边界真空中静态和匀加速粒子探测器的跃迁速率进行对比，发现匀加速运动将引起边界附近基态粒子探测器自发激发、边界可能引起探测器跃迁速率的重要修正.

如何在两个黑洞间建造热机：从2023年CPhO决赛题说起

马宇翰

2024, 43(02): 27. doi:10.16854/j.cnki.1000-0712.230398

摘要 ( 328 )

PDF (580KB) ( 349 )

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2023年全国中学生物理竞赛决赛理论第五题涉及黑洞热力学. 本文在介绍黑洞热力学基本背景的基础上，结合笔者的研究经验，分析黑洞间热力学循环的特征，最后概述与此相关的有限系统热力学与统计物理领域的部分前沿问题的研究进展.

将21世纪诺奖实验引入大学物理实验教学——LED中的量子斯塔克效应

邓冬梅, 张欢

2024, 43(02): 33. doi:10.16854/j.cnki.1000-0712.230089

摘要 ( 225 )

PDF (765KB) ( 335 )

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目前大学物理实验中所涉及的诺贝尔物理学奖实验多为20世纪的经典实验.百年经典诺奖的实用价值和教育意义已被实践验证.为了深入探索最新诺奖成果的教育价值，使大学生的实验教学与时俱进，与前沿研究接轨，本文将2014年的发光二极管(LED)诺奖实验引入大学物理实验.首先，使学生掌握可见光LED中的多量子阱结构及其发光机理.重点追踪中村修二获奖后对LED的更深入研究,通过对LED发光光谱随注入电流变化的研究，向学生直观展示LED中的量子限制斯塔克效应，并计算出量子阱中压电电场的强度.

光学概念集设计的初步实践

张凤萱, 吴丽雄, 赵瑞卿, 章梅

2024, 43(02): 37. doi:10.16854 /j.cnki.1000-0712.230163

摘要 ( 211 )

PDF (550KB) ( 196 )

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光学是基础物理学的一个重要分支，其研究的是光的性质和现象，包括光的传播、折射、反射、干涉、衍射、偏振等方面的知识.在基础物理学课程中，光学是必修的内容，学生对光学知识的掌握程度可反映物理教学质量.本文主要设计了一份光学概念集调查问卷，面向某985高校学生发放该问卷，并对其结果进行分析，也针对学生的作答情况对该光学概念集做出相应的评价.

大学物理线上教学学生内驱力的培养策略研究

李刚, 高顺起

2024, 43(02): 44. doi:10.16854/j.cnki.1000-0712.230076

摘要 ( 275 )

PDF (709KB) ( 175 )

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线上教学以其独特优势,成为疫情下教学正常开展的必然选择,也是后疫情时代线下教学的有益补充. 通过激发和培养学生的内驱力,将极大增加学生的线上学习主动性,提高学习效率,从而提高课堂教学的有效性.本文以大学物理课程为例,阐述了线上教学中学生内驱力的培养策略,为开展线上线下混合式教学提供有益启示.

基于圆柱体骰子三面概率落地均匀性探究

杜王一心, 柏鹿婧, 周芸

2024, 43(02): 49. doi:10.16854/j.cnki.1000-0712.230069

摘要 ( 304 )

PDF (837KB) ( 260 )

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传统硬币正反面落地概率分别趋近于1/2，而侧面落地概率几乎为0. 本文为了探究新型圆柱形骰子三面落地概率均匀的影响因素，从力学角度对圆柱形骰子发生弹性碰撞和非弹性碰撞的运动过程进行了理论分析，将影响落地概率均匀性的因素分为圆柱形骰子自身的物理和几何特征以及外部影响因素，通过建立各类圆柱形骰子模型，采用控制变量法进行实验，并应用软件进行仿真模拟，所得实验结论和仿真结论与理论分析吻合. 研究表明骰子厚度直径比、接触面材质硬度、抛掷高度及圆柱体重心线与竖直方向向量夹角是影响落地概率均匀性的主要因素.

圆柱体骰子最终面朝向概率的研究

姜素馨, 邵芳娜, 许泽林, 楼慈波, 段香梅, 王霁

2024, 43(02): 55. doi:10.16854 /j.cnki.1000-0712.230042

摘要 ( 291 )

PDF (584KB) ( 281 )

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下落物体的最终静止状态取决于物体的几何特征、运动状态、材料特性等多种因素．本文以圆柱体骰子为研究对象，基于动力学模型，探究了圆柱体骰子初始速度、角速度、高度、质量以及恢复系数等因素对骰子落地后最终面朝向的影响，并探讨了使圆柱体骰子每一面最终朝向概率相等时应具有的几何特征和物理条件．本文结果可为此类研究提供思路和借鉴．

网球塔的理论分析与实验探究

李嘉瑞, 张晨, 杜如海, 高健智, 王恒通

2024, 43(02): 60. doi:10.16854/j.cnki.1000-0712.230045

摘要 ( 281 )

PDF (862KB) ( 368 )

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借助网球之间的摩擦力，可以将网球垒成多层的“网球塔”. “网球塔”问题兼具趣味性、科学性和综合性，研究该问题对锻炼大学生的综合物理素养有重要意义. 本文首先以形变程度和接触面积两方面的实验验证了所选网球可以视为刚体；其次，考虑网球条纹等因素测出了球上静摩擦因数与支持力间的关系，进一步给出了稳定网球塔的理论力学分析求解方法，并结合Adams仿真与实际实验进行了验证；最后，指出除顶层外，各层的球数都相同时，可通过改变球的堆积密度和构建“耦合”结构两种方式改变网球塔的结构，并讨论了相关求解中的超静定问题.

利用微小电阻测量法测量金属丝的杨氏模量

汤洁阳, 吕美昱, 王一凡, 杨嘉旭, 周留柱

2024, 43(02): 68. doi:10.16854 /j.cnki.1000-0712.230086

摘要 ( 459 )

PDF (516KB) ( 726 )

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根据弹性模量与金属丝电阻微小变化量之间的关系式以及微小电阻测量原理，本文设计了可以测量并实时在线显示金属丝杨氏模量的实验装置. 当金属丝被拉伸而引起电阻微小变化时，经过两级集成运算放大电路放大、模/数转换、单片机采集、计算后，在显示屏上就可以实时显示杨氏模量的大小. 利用本装置测量了直径为0.201 mm的钢丝和直径为0.269 mm的康铜丝，其测量数据和数据处理结果表明，此杨氏模量仪测得的金属丝杨氏模量具有不大于0.3% 的相对误差，精度高，且操作简单、测量时间短，为快速测量金属丝杨氏模量提供了一个可行的方法.

d带中心理论探究MoS2电催化氢气析出反应机理的发展

刘世平, 黄晓晓

2024, 43(02): 71. doi:10.16854/j.cnki.1000-0712. 230220

摘要 ( 397 )

PDF (674KB) ( 500 )

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二硫化钼(MoS2)纳米片是一种典型的二维材料，因其独特可调的电子结构和优异的氢气析出反应(HER)电催化活性受到研究者的广泛关注.为了进一步提高其电催化性能，科学家深入研究反应的微观机理，以期阐明材料电子结构中影响电催化性能的关键因素，构建合理的电子描述符.本文综述了近年来d带中心理论探究MoS2电催化HER机理的起源、发展和现状，以期为该类催化剂的进一步发展提供指导.

基于量子蚁群算法的旅行商问题求解及算法评估

李炫秋, 黄斐君, 景鹏飞

2024, 43(02): 79. doi:10.16854/j.cnki.1000-0712.230129

摘要 ( 272 )

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量子蚁群算法是一种将量子理论与传统蚁群算法结合的高效生物进化算法，主要应用于故障诊断、路径规划、图像分割等问题的优化. 基于传统蚁群算法的流程，介绍量子蚁群算法中的量子理论基础以及量子理论如何应用于蚁群算法. 通过若干旅行商问题实例分析量子蚁群算法较传统蚁群算法的优势. 针对目前研究多以离散指标来评估不同算法、难以直观显示不同算法综合差别的问题，提出一种综合评估算法搜索效率的方法，成功应用于量子蚁群算法和传统蚁群算法的对比，具有一定的实践意义.

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