大学物理

邓志姣, 李茂源, 沈咏, 刘伟涛, 陈平形

2024, 43(3): 1. doi:10.16854/j.cnki.1000-0712.230202

摘要 ( 382 )

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共振穿透是一维量子散射中的一个重要的现象. 一般教材中对该现象的阐述都是假定单色平面波入射，对于更加接近于实际情况的波包入射缺乏研究. 本文利用解析推导并作图的方法，详细讨论了一维方势阱中波包散射的主要特点，以及入射波包的能量均值及展宽对共振穿透现象的影响. 本文的研究内容不仅能加深对共振穿透现象的理解，而且为分析任意分段常势能函数的散射问题提供了一般方法.

一维双方势垒单势阱模型的共振隧穿条件研究

曾嘉钟, 曾孝奇

2024, 43(3): 5. doi:10.16854/j.cnki.1000-0712.230137

摘要 ( 328 )

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对于双势垒或多势垒系统，当入射粒子能量符合共振能级时将产生共振隧穿，使穿透率为一极大值，这样一个重要的性质在很多量子或半经典器件中都有广阔的应用前景.本文主要研究一维双方势垒模型及具有高度对称性的ABABA型双方势垒系统.从薛定谔方程出发，通过推导获得了一般的一维双方势垒系统的透射率计算方法，为数值计算提供了参考公式，并证明了透射率解析解的存在.对于具有高度对称性的ABABA型双方势垒系统模型，本文推导了透射率的解析表达式，并且给出了共振遂穿条件的解析解，探讨了共振隧穿所需条件及影响因素.

一个电动力学矢量公式的分析应用与推广

刘建

2024, 43(3): 11. doi:10.16854/j.cnki.1000-0712.230110

摘要 ( 266 )

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电动力学的研究对象是电磁场的基本属性，电磁场的运动规律以及它和带电物质之间的相互作用.本文通过探究一个电动力学中的常见问题：已知极化强度求解束缚电荷的体密度，使学生在情境中产生疑难，在疑难中发现新问题，激发学生的认知冲突. 在教学过程中，重视知识和方法的应用及迁移，引起学生积极思维，培养学生科学思维和科学探究的能力.

运动微分方程数值求解的一般方法分析

贾小文

2024, 43(3): 13.

摘要 ( 293 )

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分析了常见物体运动微分方程的建立过程以及利用科学软件对方程数值求解的技术基础，对撒克逊碗、磁场中的弹簧摆和三摆混沌系统进行了数值求解和分析讨论，给出了解决这类问题的一般思路和方法步骤.

基于物理原理的声源定位实验设计

陈星辉, 杨媛, 邓杰, 苏董业, 陈光伟

2024, 43(3): 20. doi:10.16854 /j.cnki.1000-0712.230102

摘要 ( 289 )

PDF (893KB) ( 240 )

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本文使用信号发生器、直流稳压电源、数字示波器、直流电机、四元麦克风线阵、数显角度尺、扬声器等常规物理实验仪器和部分自制装置搭建了一个室内声源定位系统，利用直流电机带动四元麦克风线阵和数显角度尺同轴旋转，将四元麦克风线阵接收到的声波信号经放大和滤波处理后输入示波器，根据示波器上利萨如图形的形态判断声源方位，由数显角度尺测量线阵的转动角，再利用三角函数计算出声源的位置坐标. 实验结果表明，此方法进行声源定位精度高，误差小，成本低.

静止空气中球形雨滴收尾速率及斯托克斯黏性阻力使用条件

邵云

2024, 43(3): 25. doi:10.16854/j.cnki.1000-0712.230210

摘要 ( 498 )

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文章利用光滑球体空气阻力系数较为准确的Wallis公式，逐步地分析计算出20 ℃的静止空气中不同半径球形雨滴的收尾速率，并与部分实际测量值进行比较，指出差距的原因.文章又以Wallis公式为标准，估计出在精度要求不是太高的情况下，光滑球体的斯托克斯一次方黏性阻力公式大致适用于Re<0.1的雷诺数区间，其间的相对误差<3.0%.这对20 ℃的静止空气中雨滴下落时斯托克斯公式始终能够成立的半径要求便是r<1.9×10-5 m，可见斯托克斯公式完全不能适用于通常大小的雨滴.文章指出，撰文的目的在于对球形模型下雨滴的收尾速率进行较为精确的计算，以弥补其他某些文献的不足，而所使用的Wallis拟合公式相对最值得信耐.

有关潮汐摩擦的探索性研究

徐湘景, 陈勃宇

2024, 43(3): 30. doi:10.16854/j.cnki.1000-0712.230098

摘要 ( 276 )

PDF (739KB) ( 259 )

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本文对天体系统的潮汐锁定问题的一种简化模型进行了研究.本文将中心天体设为由固体球状内核以及外层均匀液体组成，将在引力作用下液体产生的形变近似成椭球形，并说明了该近似的合理性.最后，论文参考“常数几何滞后模型”，在近似条件下计算了当中心天体相对平衡位置具有θ的偏角时所受引力相对其中心的力矩，得出了两天体间潮汐摩擦力矩与绕转天体质量的平方以及中心天体平均半径的5次方成正比，与天体间距离的6次方成反比的结论.

转动杆上黏性流体承载量的探究

秦毅轩, 顾逸琳, 罗家丽, 夏成杰, 张杰, 王春梅

2024, 43(3): 34. doi:10.16854/j.cnki.1000-0712.230145

摘要 ( 186 )

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转动一根裹有黏性流体(如蜂蜜)的杆，杆上可以保留部分液体不滴落. 针对此现象，之前理论研究大多基于N-S方程求解，无法直观解释现象发生的物理机理. 本文在理论上创新性地采用类似量纲分析的方法，通过受力分析，避免了复杂冗长的流体力学方程求解，得到了由重力、黏性力、离心力、表面张力共同作用、交互主导的简洁理论模型;实验上，通过搭建稳定装置及合理控制变量，得到自洽的实验数据. 理论分析与实验结果吻合度高，直观解释了转动杆上黏性流体不滴落的物理本质与关键因素.

中心有孔金属圆盘在水面漂浮现象的研究

赵东晶, 杜王一心, 王金东, 周芸

2024, 43(3): 39. doi:10.16854 /j.cnki.1000-0712.230196

摘要 ( 168 )

PDF (929KB) ( 159 )

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本文从理论和实验两方面研究了中心有孔的金属圆盘能够漂浮于水面这一现象. 建立了湍流模型以及VOF模型，并通过对漂浮于水面的金属圆盘进行受力分析，得到金属圆盘漂浮的临界条件．研究结果表明，小孔半径差、圆盘自身密度、水流量大小以及出水口大小是影响金属圆盘漂浮水面的主要因素. 根据理论分析，建立模型进行了仿真分析和实验，对实验结果误差进行了分析. 结果表明，所得实验结论及仿真结论与理论分析一致，具有一定的应用价值.

动生电动势一题多问和一问多解的解析

耿法豪, 范鹏东, 张孟

2024, 43(3): 45. doi:10.16854/j.cnki.1000-0712.230181

摘要 ( 317 )

PDF (852KB) ( 515 )

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大学物理是大学理工科类的一门重要基础课程，工科专业以力学基础和电磁学为主要授课．其中动生电动势的教学是电磁学的重点和难点，学生对该类题目的解答错误较多．本文通过动生电动势典型例题的一题多问以及一问多解的方式对平动切割和转动切割情况下的动生电动势进行详细分析计算，层层递进深入，以此让学生能深刻理解其中所包含的物理以及微积分知识点.

一种螺线管磁场均匀性改进方法的模拟与分析

张兴驰, 费俊华, 李慧娴, 王子润, 熊浩凯

2024, 43(3): 51. doi:10.16854/j.cnki.1000-0712.230090

摘要 ( 236 )

PDF (823KB) ( 183 )

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本文采用添加补偿线圈的方式，对多层密绕直螺线管轴线上的磁场均匀性进行了改进，并根据理论公式，结合Python软件，对直螺线管添加补偿线圈前后的磁感应强度变化曲线进行了仿真模拟. 基于仿真结果，进一步研究了改进后的磁场均匀区间大小与补偿线圈参数、模拟曲线图形之间的变化规律. 发现当补偿线圈匝数确定时，均匀区间大小会随着电流强度的增加先增后减，并且会在曲线图形凸点进出阈值时产生骤升骤降的变化. 在电流强度可以提供的前提下，匝数更少的补偿线圈可以对原磁场均匀性产生更好的延展效果.

利用示波器测量μ子寿命

郝佳欣, 郭戈, 孙保华

2024, 43(3): 55. doi:10.16854/j.cnki.1000-0712.230166

摘要 ( 199 )

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μ子是地球表面的主要宇宙射线，可以通过碘化钠等常见闪烁体探测器进行探测．本文介绍了一种利用高采样率的示波器对探测器所捕捉到的μ子信号及其衰变信号进行数字化采集、线下软件分析的实验方法，进而得到μ子寿命．本实验操作相对简单，可以在不使用放射源和传统核电子学的情况下，拓展为近代物理或专业物理实验中的一个粒子探测前沿项目．

塑料闪烁体探测器测量宇宙射线μ子寿命实验

何韦杰, 李波

2024, 43(3): 60. doi:10.16854/j.cnki.1000-0712.230197

摘要 ( 214 )

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本文设计了基于快时间响应的塑料闪烁体和光电倍增管组成的宇宙射线μ子探测器. 带电粒子在探测器中产生的电脉冲信号波形由数字化仪读出并记录在计算机. 通过离线数据分析完成μ子衰变事例选择、脉冲信号定时和寿命拟合等步骤. 实验中脉冲信号上升时间小于20 ns，噪声小于3 mV，经估算使用前沿定时方法得到的探测器时间分辨率可达到纳秒量级.μ子平均寿命测量值为2.188±0.045 μs，与粒子数据表(PDG)给出的μ子寿命测量值在误差范围内是符合的.

基于Mathematica的天体运动模拟

于巾荔, 丛亚轩, 李嘉懿, 周兴玉, 洪许海

2024, 43(3): 67. doi:10.16854 /j.cnki.1000-0712.230062

摘要 ( 320 )

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天体运动是力学和理论力学课程的基本内容之一. 本文借助数学软件Mathematica，基于经典力学相关公式和定律，对行星、周期彗星和双星系统的运动做了精确的动态模拟，所得动态效果图形象生动，有助于学习者建立清晰的物理图像，增加对行星、周期彗星和双星系统的直观认识，增进对天体运动规律的深入理解. 本研究通过Mathematica编程将教材上的理论知识可视化，开发了新的物理教学资源，同时也展现了Mathematica软件巨大的物理教学资源开发潜力.

基于控温系统的超声光栅测量透明液体浓度

李一彤, 陈杭, 李承乾, 段雪松, 孔祥明, 叶文江

2024, 43(3): 74. doi:10.16854 /j.cnki.1000-0712.230088

摘要 ( 240 )

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浓度是描述溶液特性的重要物理量，随温度的改变而发生变化. 基于超声光栅测量透明液体中声速的方法，以透明溶液氯化钠溶液为例，通过控制变量法研究了声速、浓度、温度三者之间的关系，最终定量得出三者所满足的方程，实现了不同温度下浓度的测量. 结果表明，该方法测量液体浓度置信度高，相对误差小，且广泛适用于透明液体浓度的测量，具有时效性高、反映时间短、精度高等优点。

彩虹十问——一通物理奥赛试题的另一张面孔

王思慧, 周惠君

2024, 43(3): 79. doi:10.16854/j.cnki.1000-0712.240025

摘要 ( 295 )

PDF (947KB) ( 400 )

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本文回顾了彩虹理论的发展历史，讨论了彩虹观测与实验过程中可能遇到的一些问题.提出了一些演示彩虹等现象的方法.

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