用物理学思维点亮人工智能的未来——解读 2024 年诺贝尔物理学奖

吴迪, 马滟青

2025, 44(4): 1. doi:10.16854/j.cnki.1000-0712.250073

摘要 ( 523 )

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2024年诺贝尔物理学奖授予了物理学家、生物学家霍普菲尔德(John J. Hopfield)和计算机科学家辛顿(Geoffrey E. Hinton)，以表彰他们在人工神经网络领域的基础性发现和发明.很多人对此感到惊讶，疑惑诺贝尔物理学奖为何授予人工智能方向，甚至有人发出 “物理学不存在了”的疑问.本文将深入剖析物理学与人工智能之间千丝万缕的联系，解读本次诺贝尔物理学奖颁发的原因，以及探讨其对未来产生的深远影响.

基于储备池计算的混沌扭摆数字孪生系统

颜子翔, 吴玥, 谢桂今, 高健, 杨胡江, 肖井华

2025, 44(4): 6. doi:10.16854/j.cnki.1000-0712.240250

摘要 ( 283 )

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数字孪生（Digital Twin, DT）通过创建物理实体的数字化虚拟副本，实现对系统当前状态的重现及未来行为的预测，在非线性物理实验教学中具有显著应用潜力. 本研究针对大学物理实验课程中的非线性力学系统——混沌扭摆，开发了一套基于储备池计算（Reservoir Computing, RC）的扭摆数字孪生系统. 通过对比系统数字副本的相图重现相似度δR及轨迹预测时长TP，验证了该系统具备重现混沌扭摆实时状态与预测其运动规律这两大能力. 本研究开发的数字孪生系统对其它实验教学存在着一定借鉴意义，同时为数智化实验教育的实践提供了一种可行途径.

利用弱耦合摆观察研究拍现象的实验方案探究

庞玮, 李晨硕, 郎松峰, 刘艳, 龙纪超, 许嘉豪, 吴福根

2025, 44(4): 13. doi:10.16854/j.cnki.1000-0712.240287

摘要 ( 283 )

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为拓展大学物理实验的实验内容和实验手段，设计了一套利用数字化传感器和数据采集器对两个弱耦合摆的振动模式进行实验研究的方案.该实验利用相较于弹簧更易于实现的手段实现了两个物理摆之间的耦合，并更易于调节其耦合强度.利用数字化转动传感器和数据采集器能完整记录该耦合系统的完整运动，观察并分析其中的简正模和拍现象，验证线性系统解的叠加原理.该方案易于实现，现象直观，结果中包含诸多物理现象可供分析讨论，并可与大学物理及高等数学相关知识点连接，能有效提高学生的自主探索热情，锻炼学生数据分析能力，拓展相关实验的教学深度.

GaN PN结的耗尽区宽度研究

孙辰洋, 杨沛珑, 刘波, 汪莱

2025, 44(4): 21. doi:10.16854/j.cnki.1000-0712.240372

摘要 ( 324 )

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耗尽区宽度是PN结一项基本参数．在固体物理教科书中，耗尽宽度的计算通常仅限于 Si 和 Ge 等材料，缺乏对 GaN 等宽带隙半导体材料PN 结的分析．耗尽区宽度与耗尽区电荷密度息息相关．Si、Ge材料的杂质电离能很低，常温下完全电离，耗尽区电荷密度显然等于杂质浓度．而p-GaN中受主杂质Mg的电离能约220~270 MeV，常温下部分电离．所以，GaN PN结耗尽区宽度将由杂质浓度与电离程度共同决定．本文首先计算了GaN材料中不同杂质在不同浓度下的电离程度．结果表明，为获得足够空穴浓度，p-GaN重掺杂至1019 cm-3的条件下，Mg电离程度确实很低．然后，利用一款基于Scharfetter-Gummel法求解漂移扩散方程的开源求解器仿真计算得出GaN PN结耗尽区宽度、杂质电离程度等重要参数．根据仿真结果，GaN PN结耗尽区中杂质电离程度大幅提升．因此，可以使用掺杂浓度近似计算GaN PN结耗尽区宽度．本文的研究补充了固体物理教材中关于GaN PN结的内容，有助于后续课程的学习．

以范德瓦尔斯气体为工质的otto循环过程讨论

韩其成, 陆建隆

2025, 44(4): 27. doi:10.16854 /j.cnki.1000-0712.240267

摘要 ( 288 )

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本文讨论了以范德瓦尔斯气体为工质，以多方过程替代绝热过程的otto循环，给出了该循环过程的输出功和效率，并分析了多方指数n和压缩比r对循环参数的影响，通过数值计算的方法，分析得出，多方指数和压缩比都对循环参数有影响，且当多方指数的数值等于绝热指数时，循环输出功和效率最大.

傅里叶变换在二维TE和TM近远场变换中的应用

高晓梅, 常斯琦, 李宗良, 翟天瑞

2025, 44(4): 34. doi:10.16854 /j.cnki.1000-0712.240433

摘要 ( 260 )

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傅里叶变换不仅在时域与频域之间的变换分析中被广泛关注，在光学近场与远场变换的研究中也有着非常重要的研究意义，本文以二维光子晶体平板中TE和TM近场为例，利用傅里叶变换方法，推导出二维近场到远场的变换公式. 二维等效结构在一定程度上不仅可以反应三维结构的性质，而且大大节省了三维结构仿真的时间成本，该方法不仅建立起光学微纳结构在二维近远场之间桥梁，也为广大研究者在微纳光学结构近远场变换的计算与实验表征方面提供理论依据.

非厄米哈密顿量的厄米理论分析

张莲莲, 范璐宁, 江翠, 李家锐

2025, 44(4): 39. doi:10.16854/j.cnki.1000-0712.240392

摘要 ( 333 )

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本文在量子力学教学改革探索与实践中加入了非厄米部分的讨论，将非互易哈密顿量的矩阵拆解为厄米哈密顿量和非互易微扰两部分，利用非简并微扰方法求解了能量本征值和本征态，发现所得结果与直接将非互易哈密顿量对角化后做展开的结果完全一致．这说明非互易哈密顿量与厄米量子理论存在一定联系．相信本文结果有助于进一步理解非互易哈密顿量的物理性质．

基于Pixie-Net数字化仪的反符合测量

万文武, 许金艳, 楼建玲

2025, 44(4): 44. doi:10.16854 /j.cnki.1000-0712.240327

摘要 ( 213 )

PDF (364KB) ( 109 )

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相比于传统的电子学插件，数字化获取系统具有集成度高、后续操作简便、数据处理灵活的优势. 本实验尝试将Pixie-Net数字化仪用于反符合测量，替代复杂的传统电子学获取系统，简化实验装置和操作流程. 测量结果表明，使用Pixie-Net数字化仪测量得到的反符合效果要略优于传统电子学装置，可以替代传统实验装置.

基于“四个导向”多重视角下的计算物理教学改革初探

孙海涛, 胡竹斌, 杨涛, 汪海玲, 尹亚玲

2025, 44(4): 51. doi:10.16854 /j.cnki.1000-0712.240299

摘要 ( 306 )

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计算物理是讲授用数值计算方法求解典型物理问题的一门物理学本科专业课程.该课程具有跨学科性、注重理论结合实践、强调编程应用等特点.在落实“立德树人”新教育理念和以量子科学、人工智能为代表的科技蓬勃发展的新时代背景下，传统计算物理课程教学的局限性也日益突出.本文提出思维导向、前沿导向、研究导向、英才导向的“四个导向”多重视角下的计算物理课程的教学改革，给出相应的建议和举措.教学实践结果显示基于“四个导向”的教学改革有利于培养学生的超限思维和第一性原理思维、创新意识和科研能力，为计算物理课程提供了全新的教学改革思路和教学参考.

基于Julia语言可视化物理教学的应用

王巍

2025, 44(4): 57.

摘要 ( 268 )

PDF (349KB) ( 88 )

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本文基于Julia语言的Makie.jl库以及DifferentialEquations.jl库，对简谐振动合成、受迫振动以及来自光栅、正多边形孔和圆孔的夫琅禾费衍射进行了全面的交互式可视化的动态模拟.Julia语言的应用为教师及学生提供了一种新的教学科研手段，有助于提高教学效果，促进学生学习热情.

力学定律的发展：积分和微分定律的视角

刘宁

2025, 44(4): 61. doi:10.16854/j.cnki.1000-0712.240376

摘要 ( 255 )

PDF (188KB) ( 167 )

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本文主要以积分定律和微分定律既对立又协同发展的线索，重新剖析了力学定律的建立过程，强调了积分定律和微分定律的两次融合和统一，最终使分析力学构建完成. 从积分和微分定律相互融合和发展的角度，既梳理了物理学史中力学定律的演化线索，在教学方面也具有实践价值.

基于色散关系的电磁波——浅水波传播类比研究

孙楚昊, 余聪

2025, 44(4): 67. doi:10.16854/j.cnki.1000-0712.240309

摘要 ( 258 )

PDF (494KB) ( 83 )

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波的传播在物理学研究中是非常经典的问题，水波的传播对堤坝修建，海浪能量的利用有很大的意义，本文和电磁场方程组相类比，结合物理思想分析归纳出浅水方程，使用微扰法将浅水方程进行线性化，得到浅水方程的色散关系并利用实验进行验证.之后类比电磁波传播定律的推导，得到浅水波的传播规律，并使用了Lax-Wendroff格式数值模拟在深度变化的水中浅水波的传播.得到浅水波传播最终都是沿着等水深线垂线传播的结论.

磁机械振荡器动力学研究

阮浙挺, 沈益波, 杨志华, 祝宇红, 沈佳伟

2025, 44(4): 74. doi:10.16854 /j.cnki.1000-0712.240345

摘要 ( 328 )

PDF (368KB) ( 76 )

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本文构建了磁机械振荡装置，并对影响弹簧片振动的相关物理参数及振动的动力学过程进行了系统研究，实验发现劲度系数、固有频率、磁力大小、磁铁质量是影响振动的主要因素；修正已有的简谐振动方程，引入阻力、磁力等相互作用力，求解了弹簧片的合振动方程，并对上述方程进行计算机数值求解，求解结果与实验结果相吻合.

基于全反射法测量透明液体浓度装置设计与制作

汪鑫婕, 郑新, 倪佳, 周超, 唐明君

2025, 44(4): 79. doi:10.16854/j.cnki.1000-0712.240259

摘要 ( 268 )

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本文介绍了一种利用激光测量透明液体浓度的实验装置，该装置通过转动环形电阻来精确测量所转过的角度，利用光敏电阻的阻值大小变化准确判断激光穿过三棱柱后发生全反射时的入射临界角位置，求出液体的折射率，再通过折射率与浓度之间的线性关系测量出液体的浓度.该装置能测量透明葡萄糖、氯化钠、蔗糖和甘油等有机溶液以及无机溶液的浓度，具有普适性.同时还可用于中学、大学科普演示或课堂教学，增强学生对于全反射知识的理解与掌握.

hcp晶格s能带的紧束缚近似计算

蒋浩林, 袁喆

2025, 44(4): 86. doi:10.16854 /j.cnki.1000-0712.240360

摘要 ( 284 )

PDF (356KB) ( 114 )

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紧束缚近似是计算固体中电子能带的重要方法.近期一篇文章错误地运用紧束缚近似计算了六角密堆积晶格能带，得到了复数的能量本征值.本文指出了其计算中的教条性错误，给出了正确的计算方法和结果，并且对能带的对称性，极值点，高对称路径上的布洛赫函数特性以及受次近邻交叠积分的影响进行了详细讨论.

LabVIEW软件在牛顿环实验中的创新应用

黄文琳, 张铎, 余鹏, 张菊花

2025, 44(4): 92. doi:10.16854/j.cnki.1000-0712.240344

摘要 ( 250 )

PDF (423KB) ( 112 )

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牛顿环在生产生活及工业中应用十分广泛，利用牛顿环测量透镜的曲率半径也是大学物理实验中重要的基础实验之一.为解决视觉疲劳等造成的牛顿环数环误差及软件无法动态数环等问题，介绍了牛顿环实验动态数环的方法.该方法利用LabVIEW软件的图形化编辑语言，借助电子目镜识别牛顿环图像，并传输至电脑软件中，通过软件计数程序记录明暗条纹的颜色变化次数，进而完成对牛顿环的动态数环过程.通过该方法可保证学生实验的主体性，同时又可启发学生利用软件进行实验创新尝试.

蒙特卡洛方法在电磁学静电平衡教学中的应用

李昀泽, 余伟超

2025, 44(4): 96. doi:10.16854/j.cnki.1000-0712.240358

摘要 ( 406 )

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导体电荷分布的唯一性是静电场中最本质的性质之一，也是电磁学其中一个教学难点，表述为：孤立导体在静电平衡状态下，电荷唯一确定分布在表面.有不少研究者曾经得出很多不同导体表面电荷的分布关系，但是，这些解析结果仅对一些对称性较高的体系有效且仅适用于电荷连续分布情形.本研究中创新性地使用了蒙特卡洛退火算法来搭建计算机模型，尝试验证椭球状导体中达到静电平衡后离散电荷在导体表面的面密度分布，与已有理论结果符合.该方法可拓展应用于任意形状导体中离散电荷的静电平衡分布问题，为静电问题的数值模拟提供了一种新的算法，同时也为电磁学课程实践提供了一种新的教学手段.

基于光栅衍射探究光盘的光栅结构和存储容量

刘林峰, 王芳, 张睿, 耿爱丛, 李熊

2025, 44(4): 103. doi:10.16854 /j.cnki.1000-0712.240192

摘要 ( 278 )

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本文利用光栅衍射研究了光盘的等效光栅结构，通过对比反射衍射与透射衍射的测量结果，详细分析了使用不同波长激光器的测量误差，从而探明了光盘的微观结构，并且分析了切向光斑未出现的原因.在此基础上，利用透射衍射实验，并使用极坐标算法精确测得光盘的存储容量，最终测得CD和DVD的存储容量与其标准值的最小误差分别为0.0014%和0.38%.

非线性谐振子与无限深势阱的关系

刘子煜, 谭俊豪, 黄亚豪, 玉苏普江·萨拉木

2025, 44(4): 108. doi:10.16854/j.cnki.1000-0712.240302

摘要 ( 272 )

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一维无限深势阱是量子力学中的重要模型，但其势能在边界上跃变，从而导致势能及波函数在跳跃点的导数无法确定．本文从连续非线性谐振子模型出发，采用有限差分法计算一维非线性谐振子能量本征值与本征函数，并将其与一维无限深势阱能量本征函数与本征值进行比较，验证一维无限深势阱是高阶非线性谐振子的渐近极限．

对虹霓视角理论的实验检验

王奕翔

2025, 44(4): 112. doi:10.16854/j.cnki.1000-0712. 240173

摘要 ( 271 )

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本文基于几何光学和柯西色散公式，对虹霓这一大气光学现象形成原因进行了完整的探究，对虹的最大视角和霓的最小视角做出了说明.同时设计了一套可以再现虹霓现象的装置，并给出了一种基于平行原理间接测量虹霓各色光视角的方案.实验中通过改变NaCl溶液浓度测得虹与霓的红光视角，将其与理论值在图像上比对后发现二者较好地吻合，说明虹霓现象出射光强确实集中分布于最大视角处，同时也说明柯西色散公式适用于计算NaCl溶液对不同色光的折射率.

2025高等学校物理教学创新与发展研讨会擘画物理教育新蓝图

侯卫娜, 桑海波

2025, 44(4): 120.

摘要 ( 113 )

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5月16日至19日，由《大学物理》期刊主办、山东理工大学物理与光电工程学院承办、高等教育出版社理科事业部物理分社协办的“2025高等学校物理教学创新与发展研讨会”在山东淄博圆满落幕．这场以“AI赋能教育，创新驱动未来”为主题的学术盛会，吸引了线上线下共计5万余人参与．会议通过3场高屋建瓴的特邀报告、23场前沿务实的大会报告，以及圆桌论坛、仪器展览等多元形式，全面展现了我国物理教育从“知识传授”向“能力锻造”跃迁的创新实践与未来蓝图．这场思想与技术的盛宴，不仅为物理教育高质量发展注入新动能，更以破界之姿，开启了智能时代育人模式的新篇章

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2025高等学校物理教学创新与发展研讨会擘画物理教育新蓝图