大学物理

田虹, 王雪

2024, 43(04): 1. doi:10.16854/j.cnki.1000-0712.230293

摘要 ( 130 )

PDF (724KB) ( 138 )

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时间平均方法是一种利用某段时间内的平均值近似描述某些快速变化的物理量的方法,模拟的是物理系统响应速度远低于激励变化速度时的情形.作为一种模型的简化手段,时间平均方法能够从关于时间振荡甚至杂乱的信号中快速提取出有效的信息,从而增进对物理过程的理解.本文基于正弦函数的时间平均特性,考虑时间平均方法在力学、光学、磁学等多个物理领域中的应用,并进行简要的介绍和讨论.

类比思维在时间多层介质光传输理论构建中的应用

吴宏伟, 陈雪, 圣宗强

2024, 43(04): 5. doi:10.16854/j.cnki.1000-0712.230133

摘要 ( 67 )

PDF (819KB) ( 69 )

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《光学原理》作为光学和物理学专业研究生的经典教科书，详细地介绍了多层空间介质理论与传输矩阵的计算方法. 鉴于时、空的二元性，本文主要通过类比空间多层介质材料，阐述光在材料参数随时间变化的时间多层介质中的传播特性，并推导时间多层介质中的传输矩阵形式. 最后，通过对比时间周期性多层介质的动量带结构和空间周期性多层介质的能带结构和传输系数，深入讨论时间与空间多层介质之间的联系与区别，展现类比思维在研究生创新能力培养中的作用.

一种构建非多项式QES势的方法

胡富望, 肖倍

2024, 43(04): 10. doi:10.16854/j.cnki.1000-0712.230106

摘要 ( 51 )

PDF (756KB) ( 34 )

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构建准精确可解问题的方法有很多，例如超对称方法、Darboux方法、李代数方法等，但是这些方法构建的准精确可解问题往往得到的是多项式型的波函数.我们从一类含参变化的双势阱出发，研究了和参数相关的性质，并且发现了一种构建QES势的方法，这种方法构建的QES势有李代数结构，但波函数的形式是非多项式.

类锂原子激发态能量的双参数微扰法研究

徐宁, 吴锋

2024, 43(04): 15. doi:10.16854/j.cnki.1000-0712.230107

摘要 ( 62 )

PDF (803KB) ( 24 )

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基于双参数微扰法，结合双重微扰方案，对类锂原子低激发态1s2ns (n=3,4,5)的能量进行了计算.所得结果与实验值吻合，相对误差小于0.8%，并发现在这些激发态中电子仍可看作处于特定的圆轨道，呼应了玻尔理论中的定态假设；随着体系激发态变高，内层电子的有效核电荷数基本不变，外层电子的有效核电荷数逐渐降低.这些研究加深了对原子中与电子相关效应的认识.

刚体的转动惯性旋心

2024, 43(04): 19. doi:10.16854/j.cnki.1000-0712.230248

摘要 ( 86 )

PDF (693KB) ( 61 )

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转动惯量是刚体转动惯性的度量，转动惯性旋心是刚体的特殊转动中心，刚体对旋心的转动惯量张量是一个二阶球形张量，刚体对过旋心的任意轴的转动惯量都相等，过旋心的任意轴都是刚体的惯量主轴.提出并证明了转动惯性旋心定理：当刚体对质心的三个主转动惯量均相等时，质心是刚体唯一的旋心；当刚体对质心的三个主转动惯量当中仅较小的两个主转动惯量相等时，刚体有且仅有两个旋心，均在主转动惯量较大的中心惯量主轴上且关于质心对称分布，两个旋心到质心的距离均等于刚体对质心的较大与较小主转动惯量差值与刚体质量比值的平方根；当刚体对质心的三个主转动惯量互不相等或者仅其中较大的两个主转动惯量相等时，刚体不存在转动惯性旋心.

两个耦合驱动谐振子精确的经典与量子动力学研究

陈康康, 李海凤, 欧智敏, 张凯峰

2024, 43(04): 22. doi:10.16854/j.cnki.1000-0712.230193

摘要 ( 133 )

PDF (746KB) ( 88 )

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谐振子模型作为一类可严格解析求解的体系，在物理学中占据重要地位，是描述许多物理过程非常有力的理论模型，而关于驱动谐振子的研究却较少涉及.本文研究了两个耦合驱动谐振子模型精确的经典与量子动力学.在经典力学框架下利用哈密顿正则方程给出含时驱动外场作用在两个耦合谐振子体系的精确能量值.在量子力学框架下考虑非含时驱动外场，给出系统的能量本征值和对应的本征态.考虑含时驱动外场，利用算子代数方法得到该量子体系t时刻的波函数和对应的能量期望值.由于在量子力学框架下微观粒子具有波粒二象性，因此两个驱动耦合谐振子体系的经典与量子动力学存在明显差异.

利用推迟势求解费曼的行移场问题

李照宇

2024, 43(04): 26. doi:10.16854/j.cnki.1000-0712.230227

摘要 ( 62 )

PDF (719KB) ( 44 )

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本文利用推迟势求解了费曼在其物理学讲义中提出的行移场问题，相比于一般的电磁辐射问题，推迟势解法在本问题中具有以下特点：推迟势积分运算简单，可得到精确解析解；物理思想清晰，推迟势公式中蕴含的“电磁作用以有限速度c传播”这一物理观念在求解过程中得以充分展现.

对《大学物理》论文“关于拉比强信号理论的疑问和思考解答”再讨论#br#

张智明

2024, 43(04): 29. doi:10.16854/j.cnki.1000-0712.230214

摘要 ( 56 )

PDF (674KB) ( 33 )

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本文对《大学物理》论文“关于拉比强信号理论的疑问和思考解答”中讨论的问题进行了重新讨论，其理论推导更简洁，物理解释更准确. 通过本文我们再次强调，在量子理论中，描述状态的不是概率，而是概率幅. 概率相同的状态，概率幅可以不同，从而状态不同.

大学物理规律名称辨析

张勇, 张乃波, 吴培文, 侯吉旋

2024, 43(04): 31. doi:10.16854/j.cnki.1000-0712.230304

摘要 ( 88 )

PDF (799KB) ( 66 )

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本文以大学物理教材中常见的物理规律名称为例，探讨物理定律、定理、原理、假设、定则和模型等物理规律名称的命名原则、区别和联系，并对中外经典教材中同一物理规律的不同命名予以澄清.通过比较分析可知，可以从产生背景、形成过程、逻辑方法、理论层级、验证时间、描述属性、从属关系、便捷程度等方面去理解和辨析物理规律名称.中外教材中有少数物理规律的名称有所差异，原因在于其内涵的不同和在理论建构过程中逻辑顺序的不同.本研究可为教师开展以提升学科素养为导向的课程教学和开展课程知识图谱的建设提供参考.

短沟道负电容GAAFET的物理解析模型的理论推导

白刚, 陈成

2024, 43(04): 36. doi:10.16854/j.cnki.1000-0712.230335

摘要 ( 61 )

PDF (1050KB) ( 50 )

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围栅场效应晶体管的EDA设计软件是我国芯片产业“卡脖子”的关键技术之一，已经受到科学界与产业界的高度重视.本文首先通过合理近似推导出传统短沟道GAAFE的物理解析模型，然后在此基础上通过增加铁电层推导出负电容GAAFET的物理解析模型.该物理模型的理论推导有助于加深学生对GAAFET工作原理的理解，激发学生的学习兴趣，提高学生的研究能力.

将第一性原理计算方法引入大学物理仿真实验教学

周梦, 陶应奇, 程才

2024, 43(04): 40. doi:10.16854/j.cnki.1000-0712.230058

摘要 ( 69 )

PDF (816KB) ( 120 )

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本文通过探究，给出了适合于大学物理仿真实验教学的第一性原理计算相关的内容，即在导体、半导体以及绝缘体材料中各选取一种典型物质，分析其在零温零压下的最优结构，并在此基础上计算分析能带结构，找到导电性的微观机理. 将计算物理知识引入教学，不仅可以引导学生探究物质微观结构，也可通过对高新技术的了解拓宽视野,有助于培养创新型人才.

用光干涉和衍射装置替换光杠杆的杨氏模量测量方法

王国友, 范沁, 资雄, 朱文逸, 陈光伟, 陈浪

2024, 43(04): 44. doi:10.16854/j.cnki.1000-0712.230126

摘要 ( 76 )

PDF (1146KB) ( 73 )

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本文利用光的干涉原理和单缝衍射原理设计杨氏模量实验仪，根据光的干涉和衍射条纹的变化规律测量金属丝受拉力作用下的微小长度变化量，进而实现金属丝杨氏模量的高精度测量. 为了满足光的干涉实验条件，采用气动拉力调节装置代替砝码，解决了仪器的晃动问题，并实现了拉力改变的无级调节和电子秤拉力直读，把传统的测量杨氏模量实验由一个单纯的力学实验变成了一个力学与光学相结合的综合性实验，丰富了实验内容，拓宽了学生的视野，提高了学生分析问题和解决问题的综合能力.

激光陀螺实验中谐振腔调节的分析与讨论

张燚, 谭中奇, 袁杰, 梁永辉, 江奇渊, 孙兵锋

2024, 43(04): 49. doi:10.16854/j.cnki.1000-0712.230169

摘要 ( 54 )

PDF (879KB) ( 39 )

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本文在非傍轴近似条件下利用几何光学理论推导了激光陀螺实验中谐振腔大小、反射镜曲率及偏转角度等因素与腔内自再现谐振激光空间位置关系的公式，比较了其与通常傍轴近似下矩阵光学结果的差异，讨论了实验时调节反射镜偏转角度对谐振腔有效腔长、光路面积、陀螺比例因子及激光出光位置的影响规律，对激光陀螺实验中谐振腔的调节有指导意义.

20 ℃的静止空气中直径5 mm的雨滴的自由下落运动研究

邵云

2024, 43(04): 56. doi:10.16854/j.cnki.1000-0712.230185

摘要 ( 128 )

PDF (791KB) ( 69 )

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文章采用球形雨滴模型，利用空气阻力系数CD的较严格的表达式即Wallis公式，计算出直径5 mm的雨滴在20 ℃的静止空气中自静止开始自由下落时的v~t图像．文章又在CD统一取作0.44的近似下，解出解析的、普适的v(t)函数，并作出相应的v~t图像．结果显示这两条v~t曲线几乎完全重合，这就意味着近似处理是完全合适的．文章解释了其中的原因，并指出实测极限速率比球形雨滴模型下的理论值小2.00 m/s的原因在于实际雨滴的形状呈现汉堡状，其实际的空气阻力系数经计算约为0.52．文章认为球形雨滴模型从总体上看是比较实用的．

论离心分离理论中匀速运动处理的合理性

郭震东

2024, 43(04): 61. doi:10.16854/j.cnki.1000-0712.230191

摘要 ( 215 )

PDF (748KB) ( 88 )

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离心技术是借助离心力将颗粒物质根据沉降系数的差异实现分离的实验技术，但离心分离理论中存在许多近似处理，例如：忽略科里奥利力；将颗粒物质的离心过程按照匀速运动处理. 本文将根据牛顿力学的基本原理对颗粒物质在差速离心法和沉降速率法中的离心过程进行严谨的动力学分析，并结合牛血清白蛋白（BSA）的相关参数进行数值计算，着重对匀速运动处理的合理性进行探讨.

络纱问题理论研究及可视化

陈苗, 郭琴

2024, 43(04): 65. doi:10.16854/j.cnki.1000-0712.230114

摘要 ( 57 )

PDF (814KB) ( 40 )

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络纱过程是纺织工艺的重要环节，在轻工业手工业中有着广泛的应用.本文将络纱过程简化为弦振动过程，分别采用傅里叶级数法和冲量定理法对络纱问题的定解问题进行求解，进而得到络纱气圈振动解，并从能量角度解释络纱气圈为驻波的原因.借助数学软件将络纱气圈的运动状态进行了可视化，探究了不同振动波速和退绕角速度下的络纱气圈形态，得到一些有趣的结论.

Boycott效应的实验探究和PNK理论的修正

方骏, 韩璐, 钟鸣

2024, 43(04): 69.

摘要 ( 62 )

PDF (887KB) ( 33 )

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试管倾斜时悬浮颗粒的沉降速率比试管竖直时的快，这就是Boycott效应. 对该效应的理论解释则众说纷纭. 本文以颗粒大小、试管倾角和颗粒密度为变量，进行了Boycott效应的实验探究．在实验中，利用Liang-kai Huang模糊阈值法处理图像，精确测定了沉降速率，理论方面基于Krieger-Dougherty模型对传统的PNK理论进行了黏度的修正，与实验结果符合较好．

基于瑞利盘的声强测量与精度分析

邢雨曼, 吴家盛, 韩璐, 钟鸣

2024, 43(04): 75. doi:10.16854/j.cnki.1000-0712.230284

摘要 ( 62 )

PDF (844KB) ( 47 )

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一个圆盘由细线垂直悬挂在声场中，该装置可以通过绕轴旋转以测量声音的强度，构成简易的瑞利盘. 本文从场论角度对此现象进行了理论分析和修正，分析了声强和圆盘旋转角度的关系. 通过定标等实验对该装置的精度进行了深入研究，解释了相关参量对瑞利盘精度的影响，并确定了设计瑞利盘装置的最优参数.

低维拓扑绝缘体的凝聚态之美

李正禾, 汤子康

2024, 43(04): 81. doi:10.16854/j.cnki.1000-07121.230243

摘要 ( 79 )

PDF (832KB) ( 104 )

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低维拓扑绝缘体是凝聚态物理在半导体功率器件和固体材料上的研究方向，物理学家结合凝聚态物理和拓扑学的理论，对于低维度的碲化汞(HgTe)等拓扑绝缘体的固体结构和电子自旋性质进行了探索和研究. 量子自旋霍尔效应和拓扑量子双重态是低维拓扑绝缘体的两个关键性质，对于拓扑绝缘体的物质组态和能带结构的预言和发现具有重要作用，并使用强场物理的手段进行了实验的证明. 低维拓扑绝缘体是凝聚态物理的前沿理论和材料应用，同时融合了数论拓扑学的理论，具有低维度的凝聚态之美.

2024高等学校物理教学创新与发展研讨会暨#br# 《大学物理》编委会扩大会议成功举办#br#

侯卫娜桑海波

2024, 43(04): 85.

摘要 ( 69 )

PDF (1677KB) ( 35 )

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