大学物理

曹洪兹, 米益民, 杜艳晨, 王方琨, 秦峰, 黄俊伟, 袁洪涛

2025, 44(5): 1. doi:10.16854/j.cnki.1000-0712.240381

摘要 ( 247 )

PDF (1115KB) ( 154 )

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二维材料中的热电效应是凝聚态物理领域的前沿研究方向之一，而微纳热电器件中的微区热场梯度大小对材料热电信号的强弱起着决定性作用.本文利用COMSOL模拟软件，运用三角形网格与扫掠网格相结合的网格划分方式，对微纳热电器件中的微区热场分布进行了模拟分析，通过对比不同加热丝形状、长度、厚度、宽度、加热电流等因素下的热场分布模拟结果，发现矩形加热丝所产生的温度梯度最为显著，揭示了温度梯度随离加热丝距离呈反比例函数衰减的规律，解决了二维材料热电效应探测实验中如何在样品上获取大温度梯度的技术问题.本文可以为微纳热电器件中的加热丝等微加工结构设计与制备提供有力指导.

探讨定速旋转的均匀带电球壳激发的磁场

朱孟正, 赵春然

2025, 44(5): 11. doi:10.16854/j.cnki.1000-0712.240452

摘要 ( 318 )

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本文运用电磁场理论的基础知识，研究定速旋转均匀带电球壳在全空间的磁场分布．首先由于电流分布具有对称性，对应的磁场呈轴对称性；直接根据毕奥-萨伐尔定律写出了某点磁感应强度的两个分量，并进行了数值模拟，计算球壳内、外的磁场，结果显示球壳内部为均匀磁场．其次，利用磁标势和磁多极方法分别讨论了该磁场，通过对比球壳外磁场发现了该问题中电流分布具有一定的特殊性．最后讨论了单根通以恒定电流的细导线紧致无堆叠的缠绕而成的球壳激发的磁场．

光伏电池输出性能转换的实验研究

陈泽文, 田海兴, 杨骞, 南晨辉, 毛胜春, 卢刚, 王鹤

2025, 44(5): 15. doi:10.16854/j.cnki.1000-0712.240238

摘要 ( 172 )

PDF (878KB) ( 76 )

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正确认识光伏电池在不同工作条件下输出性能的差异不仅是全面理解其非线性输出性能的关键，还是准确评估光伏组件户外发电能力的基础．本文论述了光伏电池在不同工作条件下输出性能转换的原理；通过搭建光伏电池输出性能的测试平台，测量了光伏电池在不同温度与光强条件下的电流电压曲线；结合理论公式和实验结果确定了不同条件下电流电压曲线的转换系数；将测量结果转化到标准测试条件并对转换结果的相对误差进行了评定．本实验转换结果的相对误差小于1%，能满足本科阶段的实验教学的要求．

利用手机Phyphox软件测量金属丝的杨氏模量

齐敬强, 刘梦林

2025, 44(5): 15. doi:10.16854/j.cnki.1000-0712. 240325

摘要 ( 213 )

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在光杠杆法测量金属丝的杨氏模量的实验中，需要通过测量光杠杆转轴到标尺的距离和标尺示数的变化来计算光杠杆系统转动的微小角度，本文利用手机Phyphox软件中测量斜面倾角的传感器，直接测量出手机转动的微小角度，从而得到金属丝的微小伸长量，此方法测得金属丝的杨氏模量的相对误差仅为0.5%.通过无线网络可以将手机和电脑互联，实验数据以图表的形式实时显示在电脑桌面，实验过程更直观.

MATLAB可视化辅助受迫振动实验教学的探索

刘天贵, 陈赫, 周群益, 周艳明, 秦志辉

2025, 44(5): 26. doi:10.16854 /j.cnki.1000-0712.240471

摘要 ( 194 )

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从受迫振动实验原理出发，分析了强迫力矩初相对实验测量结果的影响. 利用MATLAB将受迫振动的解析解和不同阻力矩下的幅频特性可视化.教学改革与实践表明以学生为中心，以问题为导向，借助MATLAB可视化结果，在受迫振动实验原理讲解时引导学生分析操作过程的物理机制，夯实了学生的实验探究能力，同时培养了学生的动脑能力，取得了一定的成效.

精密测量引入光学与光电子实验教学的探索

郑继辉, 薛琛鹏, 孙晓芸, 丁松峰, 张祖兴

2025, 44(5): 33. doi:10.16854/j.cnki.1000-0712.240212

摘要 ( 167 )

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光学与光电子实验课是对物理光学和光电子课程中经典理论的实践，旨在让学生了解光电子学中相关器件原理及应用场景.为深入探索相关科研成果的教育意义，将科研和教学结合起来，相互促进，本文将调频激光测量技术引入实验课程中，在原有定频电光调制实验的基础上，设计实验，深入研究电光调制器和激光干涉现象，通过观察光电探测器信号，向学生直观演示精密测量过程，并根据原理求解被测目标的距离信息.

桥接基础与高阶物理：数学物理方法的数字化教学革新

张树清

2025, 44(5): 37. doi:10.16854/j.cnki.1000-0712.240417

摘要 ( 171 )

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“数学物理方法”作为物理学专业教育体系中承前启后的关键课程，其教学效果直接影响学生对后续高阶物理知识的理解和应用能力. 然而，由于课程内容的高度抽象性和复杂性，引入数字化技术成为提升教学质量、激发学生学习兴趣的重要途径. 本文深入探讨了如何运用数字化技术来强化数学物理方法与其他物理课程之间的衔接，通过具体的实例如复数在波动问题中的应用、傅里叶变换在信号分析中的直观展示，以及特殊函数在量子力学中的应用，展示了数字化技术不仅简化了课程中数学概念的理解难度，还显著增强了学生在物理问题解决中灵活运用这些概念的能力. 总的来说，数字化技术的引入不仅有助于不同课程内容的衔接和整合，丰富了教学手段，更激发了学生的实践兴趣与创新思维，为提升“数学物理方法”课程的教学效果开辟了新路径.

基于知识图谱的“大学物理”AI课程建设与实践

张红光, 李永涛, 杨志红, 陈伟, 毕岚, 董慧媛, 王允辉, 单俊豪

2025, 44(5): 41. doi:10.16854/j.cnki.1000-0712.240396

摘要 ( 296 )

PDF (1307KB) ( 516 )

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当前，人工智能（AI）正深刻变革教育.我校“大学物理”团队在智慧树平台创新推出知识图谱驱动的AI课程，构建“师/生/机”互动新教学模式.本文概述师-机-生协同教学体系的设计理念、AI课程的建设、实施、成效及反思情况.从实践效果看，基于知识图谱的学习者画像及自适应学习为学生提供个性化的学习能够有效提高自主学习性和学习成绩，为理工科基础课AI课程建设提供了经验参考.

对于王淦昌《关于探测中微子的一个建议》的解读及戴维斯的Be7电子轨道俘获实验介绍

温舒莹, 宁长春, 孙铮, 冯有亮

2025, 44(5): 48. doi:10.16854/j.cnki.1000-0712.240614

摘要 ( 147 )

PDF (933KB) ( 75 )

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对于王淦昌1942年1月发表在物理学评论上《关于探测中微子的一个建议》一文，在大学物理知识的层面上，对其中涉及到的历史背景、物理概念和物理原理进行了详细解释.进而介绍了1942年到1952年十年间，利用王淦昌的建议即K俘获法进行中微子探测的5个重要实验.重点梳理了1952年戴维斯的实验成功的技术原因.

四球探秘——隐藏在一道高中物理竞赛题背后的秘密

陈奕帆, 杨欢

2025, 44(5): 58. doi:10.16854/j.cnki.1000-0712.240228

摘要 ( 237 )

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目前，在我国本科教学过程中，就物理学科而言，主要是给出“完美”的科学定理以及可以解析算出的习题.而恰恰某些不能解析求解的问题，能折射出同学对整个问题的理解，并可激发同学的创造力.本文针对第39届全国中学生物理竞赛复赛（备用卷）中的一道刚体力学题进行了深入分析，并结合数值计算.本文发现当球D的初始转速很小时，原参考答案的结果是合理的.此外，本文研究了球D的初始转速增大时出现的球A角速度振荡现象.通过不动点分析，估计了从线性演化到阻尼振荡转变点的临界初始转速.本文还对其中出现的一些奇异现象进行了讨论，并指出滑动摩擦力至静摩擦力的突变为稳态的出现提供了动力学对应.

消除统计物理中吉布斯佯谬的新方法

魏玉鑫, 徐博, 刘全慧

2025, 44(5): 65. doi:10.16854/j.cnki.1000-0712.250153

摘要 ( 339 )

PDF (739KB) ( 230 )

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统计物理吉布斯佯谬指的是玻耳兹曼统计给出的经典理想气体熵不具有广延性，与实验结果不符．因为粒子本质上是量子，同种粒子之间具有不可分辨，所以可以通过引入一个不可分辨因子来解决这一佯谬．本文提供了一种自动给出理想气体熵的广延性结果的计算方法，核心是求助于粒子数表象．这种方法具有明显优点：不必求助于量子统计，也不用求助于热力学中熵公式的积分函数或者其它人为修正的方式．

基于Python的天体运动仿真设计

王译宸, 王馨怡, 李盈, 刘玉颖, 李春燕, 赵志超, 王文洁

2025, 44(5): 68. doi:10.16854/j.cnki.1000-0712.240295

摘要 ( 205 )

PDF (1615KB) ( 138 )

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天体运动是天体物理学的核心研究领域.我们采用经典力学相关的基本定律和公式，如万有引力定律和动量定理等，以高级编程语言Python及可视化库Mayavi、Matplotlib、Vhmap等为工具，设计开发了一套天体运动的仿真系统.通过这一系统，我们生动地模拟了变轨问题、双星和三星系统的动态行为，并直观呈现了三体运动轨迹.

固定边界的圆膜受迫振动问题求解及可视化

何卓妍, 郭琴

2025, 44(5): 76. doi:10.16854/j.cnki.1000-0712.240139

摘要 ( 180 )

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本文以圆形薄膜为研究对象，采用分离变量法和冲量定理法分别研究了圆膜的自由振动和受迫振动问题，得到了贝塞尔函数形式的自由振动和受迫振动解，并对结果进行了可视化分析．研究发现：圆膜自由振动时，同一阶数，共振圆频率越大，褶皱越多；阶数越高，节径数目越多，褶皱形态更丰富.圆膜受迫振动时，由于设置的受迫外力与角度无关，在边界固定、无初始位移和初始速度的条件下，满足初始条件的圆膜受迫振动解也与角度无关，因此振动形态呈现出中心轴对称分布. 同一圆频率，不同时刻，褶皱数目基本相同，随着时间变化，中心波包围绕中心轴做上下起伏振动.同一时刻，随着圆频率的改变，圆膜的振动形态也在发生改变.同一圆频率，同一时刻，随着外力中的贝塞尔函数的根取值越大，圆膜振动的褶皱数越多.

正规化与重整化理论在狄拉克函数势相关问题中的应用

蒋潮, 任喜军

2025, 44(5): 82. doi:10.16854/j.cnki.1000-0712.240097

摘要 ( 143 )

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本文通过分析研究二维狄拉克函数势的束缚态和散射态，介绍了正规化方法和重整化概念.首先分析了拉克函数势束缚态求解的困难；然后借助正规化处理建立起束缚态能量值和理论耦合参数之间的关系.在此关系的基础上分析了势的散射截面，并说明其与正规化过程的无关性.

实时无接触式测温装置的研制及应用

江金, 张津铭, 谭嘉岷, 杨域博, 张文凯

2025, 44(5): 86. doi:10.16854/j.cnki.1000-0712.240211

摘要 ( 138 )

PDF (1153KB) ( 124 )

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利用迈克耳孙干涉仪的基本原理可以设计出一种测温装置，将能够透光的样品置于迈克耳孙干涉仪的一臂中，并使激光穿过该样品，两臂的光束发生干涉后能产生明显的干涉条纹.由于干涉条纹受到两臂光程差的影响，使用传感器记录下干涉条纹的变化，并通过单片机分析光程差的变化便能计算出样品折射率的变化，从而得到样品温度的变化情况.本文将基于此原理设计研制出一种实时无接触式测温装置，该装置配有干涉条纹自动识别系统，能够智能识别出干涉条纹移动的个数和方向，从而实现温度的测量，本文会对测量的精确性进行测试并在最后展望了该装置在其他领域的应用，例如光热效应、测量膨胀系数和弹性模量.

数字化赋能物理实验教学——Tracker软件的应用探索

成立贤, 李明洋, 王佳, 杨紫江

2025, 44(5): 92. doi:10.16854/j.cnki.1000-0712.240270

摘要 ( 213 )

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Tracker是一款开源的视频分析和建模软件，在具体的物理实验教学中合理引入Tracker软件对实验进行优化设计，不仅可以加强实验课程的数字化建设，还能激发学生对实验的探索兴趣.本研究结合杨氏双缝干涉实验测激光波长、单摆测量重力加速度、探究单摆测量重力加速度实验中摆角θ对测量结果的影响这三个实验，探究了Tracker软件在物理实验中距离测定、轨迹追踪、角度测量三个方面的应用.实验结果表明：Tracker软件能够提高杨氏双缝干涉实验中相邻亮条纹间距Δx的测量精度、更精准地测出单摆测量重力加速度实验中单摆的周期，对于探究单摆测量重力加速度实验中摆角θ对测量结果的影响的实验中难以直接测量的摆角θ也有较好的测量结果.因此，将Tracker软件引入实验可以有效降低人眼观察所造成的视差以及实验中的测量误差，并且能精准测量角度等在实际场景中难以精确测得的物理量.

关于理想流体的拉氏场论描述

邢孜政, 何孝凯, 曹周键

2025, 44(5): 99. doi:10.16854/j.cnki.1000-0712.240426

摘要 ( 170 )

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拉格朗日理论是理论力学和天体力学重要的教学内容. 理想流体作为场论的典范,也是理论力学、天体力学和场论重要的教学内容. 但有趣的是从拉格朗日理论的角度来讲解流体力学的教科书并不多. 本文把热力学、广义坐标变换和微分同胚变换结合到一起来分析理想流体的拉格朗日理论. 本文特别讲述了一个关于拉格朗日理论中可以作为广义坐标的限制性数学定理. 此定理表明了只用粒子数密度、流体能量密度和四速场这三个场量作为广义坐标的理想流体拉氏场论不存在. 本文的论述不仅可以帮助读者深入理解流体力学中的热力学、广义相对论中的微分同胚变换和拉格朗日理论中的广义坐标变换以及关于流体的拉格朗日理论描述, 同时还可以帮助读者进一步深入理解拉格朗日理论本身. 这些内容可以作为理论力学、天体力学、场论和相对论课堂教学的有益补充.

第54届国际物理奥林匹克竞赛理论试题3介绍与解答

蒋硕, 郭旭波, 安宇, 张留碗, 阮东

2025, 44(5): 105. doi:10.16854/j.cnki.1000-0712.240468

摘要 ( 384 )

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本文介绍第54届国际物理奥林匹克竞赛理论考试的第三题.该题的名称是黑寡妇脉冲星，表面上与2024年亚洲物理奥林匹克竞赛理论第三题类似，而本质是关于双星体系的吸积与单个气体星体的平衡的典型力学题.题目分成两个部分，第一部分关注双星体系质量的转移（吸积）；第二部分是单个气体星体，在气体压力和重力作用下的平衡问题.题目利用的是力学中的典型模型，整体中规中矩，这也是本届理论题目的共性.

人教版教材中一验证动量守恒实验装置的系统误差分析

李梅, 王峰, 姜兵, 邵云

2025, 44(5): 112. doi:10.16854/j.cnki.1000-0712.240322

摘要 ( 294 )

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文章针对新版人教版选择性必修一教材中的研究斜槽末端小球碰撞时的动量守恒实验装置，分入射小铁球与轨道槽底接触与不接触这两种情况，推导出小铁球在与槽端静止的小玻璃球碰撞后的边滚边滑运动后，其出水平槽口速度的相对增加量（相对于没有摩擦力的理想情形），以及由此给本动量守恒实验所带来的系统相对误差．理论计算结果均表明，这两者的数值均普遍较大，其中当入射小铁球与轨道槽底不接触时，这两者的数值更大．入射小铁球与轨道槽底不接触的实验误差结果与相应的理论误差结果大致吻合，两者均显示出新版教材上的这个实验装置确实存在较大的系统误差，建议替换为市场上在售的完整的碰撞实验器装置为宜，经测后者的实测相对误差仅在±2%以内．

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