大学物理

房爱芳, 弓文平, 鲁兴业, 何琛娟, 王引书

2024, 43(9): 1. doi:10.16854/j.cnki.1000-0712.230347

摘要 ( 155 )

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量子材料的自旋动力学虚拟仿真实验以北京师范大学凝聚态物理二级学科的研究内容为依托，结合本科生固体物理和量子力学课程的教学内容，将前沿研究中的新内容、新技术及时引入实验教学，激发本科生对前沿新物理现象、理论及技术的敏锐感知和探索意识.利用三维仿真技术高度仿真还原了极低温中子散射实验的全过程.首先通过两个固体物理实验掌握中子弹性和非弹性散射实验研究问题的方法，理解固体中微观粒子的相互作用机理；通过三个前沿研究实验的学习，掌握量子材料微观机理的研究方法和思路；通过自主设置实验条件，完成数据的采集，并对实验数据进行分析，提高学生的专业实践能力.本实验课程将数字化优质资源与本科生实验教学项目结合，具有高阶性、创新性和挑战性。课程入选“第二批国家级一流本科课程”.

量子力学角动量算符的压缩态表象

展德会, 范洪义

2024, 43(9): 9. doi:10.16854/j.cnki.1000-0712.230237

摘要 ( 129 )

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我们注意到角动量上升、下降算符在绕第三轴的转动变换下呈现压缩变换的特性，故而对照双模压缩变换的特性寻求角动量算符的新的玻色算符实现. 通过建立量子力学两体纠缠态表象后，我们发现了一类新的玻色实现，从而可以用压缩的观点来表述量子转动.我们还研究了在这种表示下角动量上升、下降算符对纠缠态表象作用的结果和应用.这说明在量子力学课堂教育中，引入纠缠态表象是必要的.按照本文的思路，还可以构建多粒子纠缠态表象并发现角动量的多模玻色实现.

虚位移和理想约束系统的不同定义

张九铸

2024, 43(9): 12. doi:10.16854/j.cnki.1000-0712.230456

摘要 ( 104 )

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关于理想的、一般性一阶非完整约束系统，这篇文章认为，虚位移满足的关系式即Chetaev关系式是可以被导出的，但该式中的虚位移应当指的是高斯变分.同样，要从动力学普遍方程出发，借助Chetaev关系式导出系统的带乘子的拉格朗日方程，首先需要判断系统是否为理想约束系统，但理想约束条件式中的虚位移也应当指的是高斯变分.对于理想的、一阶线性非完整约束系统，虚位移所满足的关系式和理想约束条件式中，采用的虚位移既可以是高斯变分，也可以是Jourdain变分.

动力学矩阵方程法求解一维至三维晶格声子色散关系

鲁勇

2024, 43(9): 15. doi:10.16854/j.cnki.1000-0712.230447

摘要 ( 115 )

PDF (758KB) ( 70 )

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本文通过动力学矩阵方程求解了一维到三维晶格振动的声子色散关系.与传统的本科生固体物理课程中通过哈密顿正则方程方法求解一维原子链经典模型相比，构建动力学矩阵,使得从一维拓展到三维晶格声子色散关系的求解方程在形式上更具有统一性和普适性，有助于从思维方式上建立一维到三维晶格振动的连续的物理图像.在数值求解三维晶格振动以及考虑非谐效应的影响时，该方法亦提供了更好的便利性.

关于大角度单摆周期近似公式的分析与探讨

袁庆新, 张新月, 邵立

2024, 43(9): 20.

摘要 ( 132 )

PDF (796KB) ( 112 )

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对文献中的大角度单摆周期近似公式进行了全面的分析和探讨，在解析形式上，利用算术几何平均值递归法，虽然精确度最高，但考虑到计算的方便性、公式的简洁性以及实验测量精度的需求时，可选用其他简易的近似公式.

刚体完全弹性碰撞中e=1的简单证明

陈艺灵, 唐鹏

2024, 43(9): 24. doi:10.16854/j.cnki.1000-0712.230434

摘要 ( 130 )

PDF (433KB) ( 124 )

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本文给出了三维刚体与刚体完全弹性碰撞中，动能不损失等价于恢复系数e=1的证明，推广了以往在质点间碰撞、质点与刚体碰撞中得到的结果的适用范围.本文避开了碰撞中刚体转动能量的计算，以冲量和做功入手完成了一种简单的证明.

多导体系统中静电场第二类、第三类边值问题的求解方法

唐烈峥, 周国华, 卞强, 卜凡云, 于炎娟

2024, 43(9): 26. doi:10.16854/j.cnki.1000-0712.230463

摘要 ( 82 )

PDF (892KB) ( 57 )

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静电场的第二类、第三类边值问题中通常给定导体的总电荷量，但由于导体面电荷密度分布未知，无法直接求解电场．本文根据静电场中导体电荷与电位的线性关系，将第二类、第三类边值问题转化为第一类边值问题，从而实现上述问题的求解．在此基础上，以平行双导线系统为研究对象，开展了静电场有限元仿真，验证了所提方法的有效性．

基于LabVIEW的反射式飞行时间质谱仪仿真实验系统

辛佳琪, 侯高垒

2024, 43(9): 29. doi:10.16854/j.cnki.1000-0712.230262

摘要 ( 78 )

PDF (1374KB) ( 52 )

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本文利用LabVIEW软件对飞行时间质谱仪进行模拟，实现了利用计算机模拟开展飞行时间质谱相关的虚拟实验.利用LabVIEW开展虚拟实验，有助于学生快速学习和掌握仪器的工作原理，激发学生的学习兴趣，培养学生的创新意识.

弦长代替直径测量牛顿环曲率半径的不确定度的分析

文军, 杨阳, 梁振宇, 史悦

2024, 43(9): 35. doi:10.16854/j.cnki.1000-0712.230405

摘要 ( 141 )

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牛顿环实验中，测量干涉环的直径是本实验的重点与难点．本文将证实一个结论：弦长代替直径，测量牛顿环曲率半径的方法会影响结果的B类不确定度．当线性拟合的相关系数非常接近1时，B类不确定度不可以被忽略．另外，从理论上分析了弦长代替直径的测量方法所具备的优势，给出了因变量B类不确定度的计算方法．

掺镱光纤激光放大器的虚拟仿真设计

苏鑫杨, 田朝杨, 魏然, 胡建国, 冯建辉, 聂子坤, 池鸿翔, 徐天佳, 祝睿雪

2024, 43(9): 40.

摘要 ( 107 )

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本文利用Python编程语言，设计并制作了一款掺镱光纤激光放大器的虚拟仿真软件.通过调节虚拟仿真软件中的输入种子信号光、泵浦光、泵浦方式、光纤长度以及光纤种类等初始数据，可输出放大后的信号光、泵浦光、ASE的二维光谱图、三维光谱图、曲线图等，用户可通过该虚拟仿真程序观察放大器的输出结果.该软件能够在放大器相关实验中节省试错成本，提高实验效率，起到良好的教学效果.

基于数字全息技术的透过散射介质的成像仿真

程其娈, 谭佐军

2024, 43(9): 46. doi:10.16854/j.cnki.1000-0712.230402

摘要 ( 60 )

PDF (1047KB) ( 31 )

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本文根据光的标量衍射理论，利用数字全息技术产生了包含散射介质共轭信息的物光共轭光，消除了散射介质的影响，并对散射介质内的目标物体进行清晰成像．对实际应用场景下的成像过程进行了分析和讨论，模拟了不同散射介质颗粒大小、物体与散射层不同间距下的成像效果，讨论了利用CCD和空间光调制器实现实时成像的可行性．

迈克耳孙干涉仪白光干涉现象分析

窦玲玉, 姬超燃, 任立庆, 李洪国, 宋新兵

2024, 43(9): 50. doi:10.16854/j.cnki.1000-0712.230353

摘要 ( 124 )

PDF (1003KB) ( 88 )

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在利用迈克耳孙干涉仪观察白光干涉并测量透明介质折射率的实验中，一个关键的步骤是在没有引入待测介质时观察到白光干涉的基础上，移动一臂的反射镜（动镜）使得引入介质后干涉条纹再次出现．在实际的实验中，会出现动镜移动的距离为标准结果一半时就观察到干涉图样的情况．本文从理论上分析这一现象出现的原因，并设计对比实验进行了实验分析．本文的理论和实验结果表明这种现象源于光束单次通过尺寸较小且只占视场小部分区域的待测介质．另外，该次干涉条纹出现在介质区域之外，而标准结果的条纹出现在介质区域之内．

原子物理学的课程思政研究与实践

靳奉涛, 高城, 王小伟, 戴佳钰

2024, 43(9): 54. doi:10.16854/j.cnki.1000-0712.230441

摘要 ( 77 )

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原子物理学的发展联系着近代物理学史上许多著名的物理学家和故事，是一座富含思政素材的金矿.深入挖掘这些素材，使之融入到原子物理教学中，不但有利于学生加深知识的理解，也能培养学生科学的思维方式，对树立学生正确的人生观、世界观、科学观起到非常重要的作用.本文将思政素材进行合理的分类，根据其特点自然地融入到课堂授课中，使物理内容与思政元素有机地结合成一体，起到“春风化雨、润物无声”的作用，同时也拓展课程的深度和广度.从问卷调查、课上课下交流以及考试设计的实践来看，也证实了思政能够对课程教学起到升华的作用.

竞赛，通识”双融合，新工科背景下大学物理实验教学模式设计

陈舞辉, 张霆, 刘彩霞, 景佳

2024, 43(9): 63. doi:10.16854/j.cnki.1000-0712.230393

摘要 ( 68 )

PDF (709KB) ( 48 )

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针对大学物理实验课程中教学内容相对单一、学习方式单一、考核方式单一等问题，基于2020-2023年的物理类学科竞赛的竞赛成果，将2020-2023年中国大学生物理学术竞赛、全国大学生物理实验竞赛与大学生物理实验课程有机融合，对新工科背景下的大学物理实验教学模式进行设计，包括案例教学、创新选题、方案设计、实践操作、多维考核五个部分，帮助学生深入理解物理学概念，提升学生动手能力、科学思维和创新意识，为学生在新兴工科领域的发展奠定坚实的基础.

大学物理课程全题型数字化在线考试的建设与实践

于淑云, 刘建强

2024, 43(9): 67. doi:10.16854/j.cnki.1000-0712.230470

摘要 ( 71 )

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高校开展数字化在线考试是高等教育数字化转型的一个重要环节，国内多所高校也有相关尝试.目前主要存在不同科目多样题型的在线输入问题.本文介绍了山东大学与科大讯飞联合开发的一套在线考试系统，借助高拍仪辅助输入，解决了所有题型的输入问题.进一步以近年山东大学大学物理I课程为例，详细介绍了数字化在线考试的组织与实施，并对考试结果做简单分析，预测该模式具有很大的推广和应用价值.

磁力耦合下双板簧振动模式研究

路建师, 周文皓, 王春梅, 张杰, 夏成杰

2024, 43(9): 71. doi:10.16854/j.cnki.1000-0712.230411

摘要 ( 76 )

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简正模式和简正频率是多自由度振动体系的关键属性. 体系的简正模式如何受各自由度之间的耦合作用影响，既是基础的力学问题，也和很多工程应用问题直接相关. 我们研究一对完全相同的板簧在磁力耦合作用下的振动. 研究表明，磁力耦合导致双板簧系统产生一套与耦合强度有关的相向振动模式，以及一套与耦合强度无关的同向振动模式；并且，低阶模式受磁力影响大，而高阶模式几乎不产生耦合. 所以，两板簧不同的初始条件会导致两板簧振动频谱不同. 我们也开展了实验研究，观察到的板簧振动现象及简正频率随板簧间距、厚度、长度等关键参量的变化规律均符合理论模型.

“3n+1”式网球塔结构稳定性分析

刘鹏宇, 刘鹏飞, 于贵华, 蒋雯科, 张天雨

2024, 43(9): 78. doi:10.16854/j.cnki.1000-0712.230357

摘要 ( 86 )

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通过堆叠每层3个网球和顶层1个网球构成的“3n+1”式网球塔，研究了影响其稳定性的因素. 在理想情况下，从静力学和动力学角度出发，探讨了影响其稳定性的相关参数，发现底部网球所受的压力与其高度呈正相关，网球间的静摩擦系数随着压力的增加而减小，结合实验一结果，得出能量亏损与层数呈反函数关系，说明网球塔无搭建层数的上限. 在考虑干扰因素的情况下，实验二的图像显示搭建2~8层网球塔的成功率呈指数函数下降，结合对网球间接触模型和力链结构的分析，得到了底部网球的接触力随着力链长度的增加呈指数型增加并确定了网球塔的极限高度为10层.

第二届全国师范专业物理教育学术研讨会暨教育部高等学校#br# 大学物理课程教学指导委员会师范类专业工作委员会工作会议在新疆师范大学顺利举行

2024, 43(9): 85.

摘要 ( 54 )

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