大学物理

固体物理学中的贝里曲率

袁喆, 周仕明

2024, 43(5): 1. doi:10.16854/j.cnki.1000-0712.230289

摘要 ( 591 )

PDF (808KB) ( 480 )

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固体中周期性势场和布洛赫定理赋予贝里曲率新的内涵，对于布里渊区k点处第n个能带，其布洛赫函数的调幅因子为unk(r)，则相应贝里曲率Ωnk=×Ank，其中贝里联络Ank=〈unk|ik|unk〉.如果晶体同时存在中心反演和时间反演对称性，贝里曲率在倒空间处处为零.若上述对称性被打破，或者存在自旋轨道耦合，或者存在能带交叉，则存在非零的贝里曲率.贝里曲率的存在使布洛赫电子产生与外电场垂直方向的反常速度，由此产生本征反常霍尔效应和自旋霍尔效应以及非线性霍尔效应.本文有助于加深对布洛赫波函数以及玻尔兹曼输运方程的理解.

从李萨如图形到黑洞背景下质点的周期运动轨道

魏少文, 付春娥

2024, 43(5): 6. doi:10.16854/j.cnki.1000-0712.230246

摘要 ( 221 )

PDF (974KB) ( 209 )

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从笛卡儿坐标系下横纵坐标方向简谐振动所形成的经典李萨如图形出发，考虑了极坐标参考系下沿径向和角向两个方向振动所形成的李萨如图形.分析了平衡点位于极坐标系原点和做匀速圆周运动时所对应李萨如图形的特征. 进一步将这一结果推广到了黑洞背景下质点做束缚运动所形成的周期轨道. 这些结果丰富和扩展了对李萨如图形的认识和理解.

固体物理吸收与发射教学中费米黄金定则的应用

胡焱清

2024, 43(5): 9. doi:10.16854/j.cnki.1000-0712.230228

摘要 ( 193 )

PDF (792KB) ( 166 )

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费米黄金定则是描述一个系统波函数由一个特征态变换为另一个特征态概率的理论，该理论可以很好地阐述固体发光材料的吸收和发射. 然而费米黄金定则的推导过程比较复杂，学生对推导的结果不理解，这会影响后续的教学进度和整体的教学质量. 本文回顾了费米黄金定则的推导过程，并基于该定则，推导出施主-受主系统电偶极子间的能量传递速率，证实电偶极子间的能量传递跟介电常数的平方和距离的六次方呈反比，该结果为调节电偶极子间的能量传递速率提供了理论依据. 此外，根据费米黄金定则，建立了离子偶极子-原子偶极子能量传递模型，推导了发光中心离子偶极子-表面分子原子偶极子能量传递速率，阐明了发光中心激发态能量耗散机制，提出了增强发光中心发射效率的有效措施. 这些应用举例能让学生更深入地理解费米黄金定则的物理意义.

关于魔力弹簧的收缩时间和上端运动问题

于凤军, 张希威, 汤振杰, 鞠林, 田俊龙

2024, 43(5): 13. doi:10.16854/j.cnki.1000-230251

摘要 ( 208 )

PDF (839KB) ( 244 )

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针对有关魔力弹簧研究中的几个问题进行探讨和澄清. 建立了预收缩力弹簧的模型，推出其形变规律. 根据质心运动定理，导出这种弹簧自由下落时，收缩到原长所用的时间、其上端的运动方程和速度公式. 研究表明，对于通常演示所用的魔力弹簧，在自由下落时的收缩阶段，其上端不是作匀速直线运动.

考虑电磁辐射的电子绕核运动

郭雪鹏

2024, 43(5): 19. doi:10.16854/j.cnki.1000-0712.230258

摘要 ( 257 )

PDF (792KB) ( 574 )

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电子绕原子核加速运动辐射电磁波使得原子不能稳定存在.本文假设电子在极短时间绕原子核做匀速圆周运动，依据经典电磁理论建立电子运动半径的微分方程，求解得到电子在极坐标系下的轨迹方程和掉落到原子核的时间表达式.计算结果表明电子围绕原子核做螺旋线运动，大约在10-10 s时间内掉落到原子核.

德布罗意物质波关系式的推导

汪洋

2024, 43(5): 22. doi:10.16854/j.cnki.1000-0712.230226

摘要 ( 368 )

PDF (762KB) ( 458 )

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本文通过2种直观的方式推导出物质波动量-波长关系式. 第1种方式利用洛伦兹变换得出运动粒子“首尾”两端固有时间差，进而通过其对应的相位差以及粒子在空间占据的长度得出相应的物质波波长；第2种方式通过计算与粒子相位变化相适配的行波，得出物质波动量-波长关系式.这两种推导方式较为直观，有助于初学者理解物质波的物理图像.

关于太阳能电池若干问题的讨论

张智明, 何珊, 孙铁囤

2024, 43(5): 25. doi:10.16854/j.cnki.1000-0712.230209

摘要 ( 178 )

PDF (763KB) ( 186 )

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本文探讨了太阳能电池研究和教学中的3个问题：太阳能电池的核心是一个PN结，但为什么太阳能电池的伏安特性曲线与普通PN结的伏安特性曲线看起来相差甚远？太阳能电池的伏安特性曲线的变化细节到底是怎么样的？太阳能电池电路的输出电流、输出电压及输出功率是怎样随负载电阻变化的？本文的研究结果表明:太阳能电池的伏安特性曲线与普通PN结的伏安特性曲线之所以看起来相差甚远，是因为它本质上是太阳能电池电路负载电阻的伏安特性曲线，而不是太阳能电池中PN结的伏安特性曲线；在太阳能电池的伏安特性曲线中，随着电压的增大，电流是单调减小的；对确定的太阳能电池电路，随着负载电阻的增大，输出电流单调减小，输出电压单调增大，但输出功率不是单调变化的，而存在一个最佳功率值，这个最佳功率值对应一个最佳负载电阻值.

基于NI myDAQ数据采集器的光电效应实验系统

廖德驹, 冯饶慧, 崔新图, 沈韩, 黄臻成, 方奕忠, 庞晓宁

2024, 43(5): 29.

摘要 ( 115 )

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本文采用通用设备构建物理实验教学系统，可提升设备使用自由度，突出实验测量背后的物理原理，帮助学生以科研思维做教学实验，提高人才培养质量．本文设计了一种基于LabVIEW软件平台使用fA级高精度静电计跨阻放大器检测光电流、以NI myDAQ采集数据的光电效应实验系统．利用本系统，可完整、定量、实时记录并直观显示光电流IKA随阳极电压UKA的变化规律，同页面显示多条不同参数的IKA-UKA特性曲线，测定不同谱线（频率v）的截止电压U0．由数据分析模块直接得到U0-v拟合曲线与其关系式以及普朗克常量h．用该系统测量得h=(6.63±0.28)×10-34J·s，与公认值h0=6.62606896×10-34J·s对比，相对误差为0.40%．结果表明，本系统测量结果和普朗克常量公认值吻合．

计算机模拟辅助教学在分析力学中的应用

何红斌, 郑华, 张文超, 王新刚, 朱励霖

2024, 43(5): 33. doi:10.16854/j.cnki.1000-0712.230187

摘要 ( 148 )

PDF (876KB) ( 148 )

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计算机模拟辅助教学能有效弥补传统教学的不足，二者的有机结合能提高学生对有些难懂知识点的理解，从而提高学生的学习兴趣与课堂的效能. 本文以分析力学中的卢瑟福散射、二体碰撞两个典型问题介绍笔者在应用计算机模拟辅助分析力学教学中的一些尝试.

基于三位一体教育理念的激光原理课程思政建设及实践

沈雪阳, 王伟, 王祥夫

2024, 43(5): 45. doi:10.16854/j.cnki.1000-0712.230279

摘要 ( 129 )

PDF (833KB) ( 203 )

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课程思政建设是新时代高等教育正本筑基的重要战略举措，已逐步在高等教育界达成共识并得到了大力推广和实践，也为课程育人带来了新的思路和挑战. 作为物理电子学和光学等学科专业的基础课程，激光原理课程开展思政教育具有一定的紧迫性和重要性. 本文以“价值塑造、知识传授和能力培养”三位一体教育理念为导向，提炼出激光原理课程在教学内容、教学模式和教学效果评价三个方面与思政建设相结合的实施路径，为实现思想政治教育与课程教学的有机融合进行了初步探索和实践.

雅可比坐标共轭动量的两种推算方法

李金霖, 曹周键

2024, 43(5): 45. doi:10.16854/j.cnki.1000-0712.230238

摘要 ( 183 )

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哈密顿理论是理论力学和天体力学重要的教学内容.正则坐标和正则坐标变换是哈密顿理论中关键的概念和求解动力学方程的重要技术手段.N体问题描述N个物体或者说天体在彼此万有引力作用下运动的行为.N体问题是理论力学和天体力学课程中教学的重点和难点之一.除十个经典守恒量外，雅可比坐标是N体问题另一个重要的分析手段和方法.通常的教科书只会讲到雅可比坐标的物理含义.本文给出具体的雅可比坐标和惯性坐标的相互变换关系，再使用正则坐标变换的方法给出雅可比坐标对应的共轭动量.这个结果不仅从内容上补全了雅可比坐标关于正则坐标的知识点，同时还给出了正则坐标变换很好的实用范例.文中通过雅可比坐标共轭动量的两种不同推算方法指明了正则坐标变换的技巧关键点.这些内容可以作为理论力学和天体力学课堂教学的有益补充.

绕水平旋转圆柱体液体涂层流动特性的研究

沈肖依妮, 洪艺谦, 华伊杭, 李垚, 王霁, 汤世伟

2024, 43(5): 50. doi:10.16854/j.cnki.1000-0712.230199

摘要 ( 133 )

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转动柱体表面液体涂层的载流量是工业应用中流体控制和工艺设计的一个重要参数. 本文旨在研究旋转杆表面黏稠流体载流量与其流变特性、杆转速、杆半径和黏度的影响，分析不同条件下旋转杆上流体的载流量.通过旋转杆系统对不同特性流体进行变量控制的实验，得到了与理论预测结果相符的实验数据，论证了理论模型中旋转杆上黏稠流体的载流量与杆的转速、杆半径、流体自身的粘度的关系.我们的研究为工业生产中设备性能的优化奠定了实验和理论基础.

黏性液膜在水平旋转柱体外的稳态行为

林蕴芊, 雷家睿, 马宇翰

2024, 43(5): 55. doi:10.16854/j.cnki.1000-0712.230270

摘要 ( 140 )

PDF (885KB) ( 154 )

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绕水平轴旋转的圆柱杆外表面上黏性液体会随着杆的旋转趋于稳态. 本文研究了这一稳态对应的最大液体质量及其在不同条件下丰富的几何形状. 在将液体流动近似视为斯托克斯流的前提下，杆上液体的单位最大载荷量W关于液体参数(密度ρ、黏度μ)及杆参数(转速Ω、半径a)的依赖关系为W∝ρμΩa3. 本文设计的控制变量实验表明，这一关系在较小雷诺数情况下 (Re≤10)成立. 在较高雷诺数(Re>10)区域，黏性液体的惯性效应是导致理论预测与实验结果出现偏差的主要原因. 本文进一步探究了液膜横截面形状随杆转速变化的现象，实验观察到了椭圆、叶状、单勾和多勾形状的液膜，并定性解释了其形成原因. 此外，实验中还发现了圆柱体轴向上形成液环的现象，液环数量与杆转速、杆半径成正相关.

室内环境下多孔有机织物水汽输运问题的研究

周瑞, 吴思远, 马启博, 陈锦渝, 方爱平, 田蓬勃, 冯俊, 蒋臣威, 刘丽娜, 张修兴, 王小力

2024, 43(5): 60. doi:10.16854/j.cnki.1000-0712.230212

摘要 ( 96 )

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为提高本科生借助仿真软件解决实际问题的能力，本文从一个简单的衣物晾晒的问题出发，采用假设-建模-仿真-分析的顺序介绍了针对室内环境下多孔有机织物水汽输运问题的研究模式，可以视为解决输运问题的典型案例. 本文以图像的形式给出室内环境下多孔有机织物温度、相对湿度以及含水量随时间的变化关系，并通过改变初始条件(如通风面积、平均风速和环境温度)进一步探究环境参量对织物水汽输运的影响，对于学习输运过程理论以及提高实际运用能力都有一定的参考价值.

艾里波包的演化特性及其在光通讯中的应用

廖艳娟, 张林

2024, 43(5): 68. doi:10.16854/j.cnki.1000-0712.230221

摘要 ( 166 )

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求解一般线性势场与帐篷型线性势场内粒子的本征波函数，分析两类初始艾里波包的自由演化过程，讨论以艾里波包作为光信息载体时波包在介质中的传输特性. 首先讨论了一般线性势本征波函数解的核心形式可以表示为标准艾里函数，并考察了艾里波包在自由空间传播的孤子性质和自加速行为；继而计算了帐篷型线性势的双向艾里波包本征解，讨论了不同参数下双向艾里波包的加速干涉扩散行为；最后将以上两类艾里波包的演化性质应用于电磁场艾里孤子波在波导材料介质中的传输行为研究，讨论了艾里光孤子在波导介质中传播时电场分布的横向加速偏转和干涉现象.

固体物理中能带结构的可视化数值实验设计

郭启鹤, 成倩倩, 杜桃园

2024, 43(5): 75. doi:10.16854/j.cnki.1000-0712.230253

摘要 ( 167 )

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考虑到常用的固体物理教材中缺乏对晶体能带结构在实空间的讨论，本文以一维周期性势为例，介绍在研讨课教学中针对任意周期性晶格结构的能带求解问题设计数值实验，以帮助学生建立固体能带形成的物理图像，对相关凝聚态理论课程很有参考价值.

基于Pixie-Net数字化仪的γ-γ符合测量实验

葛浩煜, 杨佳霖, 林喆阳, 楼建玲

2024, 43(5): 79. doi:10.16854/j.cnki.1000-0712.230239

摘要 ( 138 )

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随着核物理技术的发展，传统的电子学插件已经无法满足日益增长的核物理实验要求. 数字化仪凭借其集成度高、数据处理灵活的优势，获得了广泛的应用. 本实验尝试将Pixie-Net数字化仪用于NaI和CeBr3探测器构成的γ-γ符合测量实验，简化电子学，提升教学效果. 测量结果表明：根据探测器的信号特点优化了数字化仪的参数，以及修正了探测器和放射源尺寸带来的角关联系数差异后，γ-γ符合测量法测量得到的放射源活度与理论值误差小于基于传统电子学的β-γ符合法.

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