大学物理

徐依禾, 胡文嘉

2025, 44(6): 1. doi:10.16854/j.cnki.1000-0712.240384

摘要 ( 204 )

PDF (364KB) ( 192 )

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钢琴发声现象背后隐藏着复杂的物理机制.本文旨在利用物理理论知识解释钢琴发声现象，以智能手机作为实验工具，利用Phyphox软件进行频率和振幅的测量，从而探究钢琴声音的准确性、和谐度和独特音色的成因，并分析弹奏时出现的拍频现象.实验主要分为三部分：(1) 利用梅森定律和击弦点理论，通过改变琴弦的有效长度和击弦点相对位置来定性研究琴弦振动频率；(2) 使用智能手机上的Phyphox软件测量不同琴弦的振动频率，验证十二平均律和泛音列的存在；(3) 测量拍频现象.实验结果显示，钢琴的基频和倍频之间存在整数比关系，符合泛音列的理论.相邻音之间的频率比值接近理论值，验证十二平均律.在和声中观测到拍频现象，振幅呈现周期性变化.实验结果支持了梅森定律和十二平均律在钢琴发声中的应用.此外，拍频现象的存在为钢琴调律提供了理论依据.未来研究可以探索更高精度的测量设备和软件，以提高钢琴调律的自动化水平，并扩展研究至其他领域.

Simulation research on magnetic field construction for magnetic particle imaging based on superconducting coils

范霖, 田育珅

2025, 44(6): 7. doi:10.16854/j.cnki.1000-0712.240341

摘要 ( 132 )

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磁粒子成像是一种近年来提出的新型检测技术，其通过高梯度磁场对超顺磁性氧化铁纳米颗粒进行浓度空间分布示踪实现医学成像．由于目前尚缺乏超导线圈在磁粒子成像中应用的探讨，本文通过虚拟仿真的方法，证明了用高温超导MgB2线圈构建磁粒子成像系统中梯度磁场的可行性，与传统铜线圈相比，MgB2线圈可将设备体积和重量显著减小，同时提供了更精细的扫描区域和更高的磁梯度．

分子力的起源

杨师杰

2025, 44(6): 11. doi:10.16854/j.cnki.1000-0712.240388

摘要 ( 149 )

PDF (148KB) ( 115 )

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本文采用谐振子模型具体分析分子力的起源,发现非极性分子的相互作用源自量子效应,极性分子的相互作用包括经典和量子效应两部分,其中经典相互作用并非通常的电偶极作用:一方面它按1R6衰减,另一方面,相互作用能正比于电偶极矩的平方,尤其是,即便其中一个分子的偶极矩为零也有贡献.它的出现本质上是经典的电四极矩相互作用.

旋转地球的形状计算

于凤军, 汤振杰, 张希威, 鞠林, 田俊龙

2025, 44(6): 14. doi:10.16854/j.cnki.1000-0712.240217

摘要 ( 123 )

PDF (189KB) ( 86 )

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基于旋转流体地球内部的等密度面与等重力势面重合原理，建立决定地球内部等重力势面参数的微分方程．使用目前国际上公认的地球模型，通过对该微分方程的数值求解获得旋转地球形状参数的理论值，并与实际值进行比较．对比发现，本文导出的微分方程比现有相关微分方程的求解结果更接近实际值，更适合作为研究地球形状的基本方程．由于微分方程的建立过程非常复杂，尝试以适应教学的方式进行叙述，并省略那些繁琐的数学公式，重点介绍物理思想和解决方案，以及数学推导中的关键步骤、结点以及重要公式、结果，努力实现文章的教学研究性与科学研究性二者的统一．

水对物体间摩擦力的影响机理分析

范伟杰, 桑芝芳

2025, 44(6): 20. doi:10.16854/j.cnki.1000-0712.240416

摘要 ( 184 )

PDF (306KB) ( 102 )

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以木块与木质桌面及汽车轮胎与地面间的摩擦为例，分析了水量对物体间摩擦力的影响机理.分析表明，移动木块时，需要附加力破坏水在木块凹槽间的表面能，随着水量的增多，附加力与其对应的摩擦力随水量的增多先增大后减小；汽车在积有水层的路面行驶时，受到水层的冲击力减小轮胎对地面的压力，从而减小摩擦力，水层越厚，行驶速度越快，轮胎与地面间摩擦力越小.

大学物理中静电体系平衡稳定性的教学探讨

康天睿, 章梅

2025, 44(6): 26. doi:10.16854/j.cnki.1000-0712.240559

摘要 ( 141 )

PDF (395KB) ( 127 )

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利用平衡稳定性判据和静电场的高斯定理证明了仅受静电力作用的点电荷不可能处于稳定平衡状态，分析了其适用条件，并给出了相应的教学建议．

RHEED谱的一种快速模拟方法

任权, 李艳青, 张晓倩, 苗霖

2025, 44(6): 29. doi:10.16854/j.cnki.1000-0712.240445

摘要 ( 114 )

PDF (395KB) ( 37 )

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反射式高能电子衍射（RHEED）是一种广泛用于晶体结构表征的技术，与X射线衍射相比，RHEED具有更简便的操作流程以及更强的衍射信号.这些优势使得RHEED特别适合用于物理实验教学，有效辅助学生理解晶体结构.尽管如此，RHEED在教学中的普及仍受限于缺乏简单直观的数学模拟方法.本文基于自由电子的平面波模型，提出了一种简单的RHEED衍射理论模型，并将其扩展应用到有限尺寸晶体.通过与实验数据的对比，验证了我们提出的模拟方法的准确性和可靠性，因此有望促进其在物理教育领域的广泛应用.

卷积运算以及一些有关应用

郑神州, 李一梅

2025, 44(6): 34. doi:10.16854/j.cnki.1000-0712.240495

摘要 ( 149 )

PDF (199KB) ( 81 )

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本文简介连续型和离散型卷积算子的概念、代数和分析性质以及卷积的几何意义解释；简述了其与傅里叶变换的关系和计算.特别地, 文中综述了卷积与其傅里叶变换在函数的平均值和光滑化、概率密度函数、中心极限定理、常微分方程求解、偏微分方程求解、滤波和图像处理中的应用.

人工智能在前沿物理教学中的探索-非线性拓扑层结构的光神经网络研究#br#

李志曈, 喻可, 李昀衡, 朱天宇, 单思超, 谷亚舟, 叶寒

2025, 44(6): 39. doi:10.16854/j.cnki.1000-0712.240595

摘要 ( 102 )

PDF (323KB) ( 77 )

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为了缅怀物理教育家赵凯华先生注重培养科学素质的教育理念，且贯彻人工智能赋能物理教学的政策方针，同时激发本科学生对前沿物理课题的研究兴趣，本文在理论和仿真中探讨拓扑层结构的非线性特征以及其作为非线性激活函数在光神经网络中的交叉应用.研究内容可作为物理系本科生专业前沿课程的开放性研究课题，帮助学生理解前沿学科拓扑光子学和光神经网络，有效推进教学与科研的结合.

重力对竖直振动的影响可以忽略吗？

陈立群, 魏莎

2025, 44(6): 44. doi:10.16854/j.cnki.1000-0712.240328

摘要 ( 114 )

PDF (253KB) ( 88 )

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本文分析重力对竖直振动的影响．应用Lagrange方程研究多自由度定常保守线性系统，若重力势能为广义坐标的线性函数，则以静平衡位形为坐标原点，重力被静变形效应抵消而可以忽略. 以单自由度系统竖直方向非线性振动为例，说明重力对线性化系统和非线性项均有影响，不能忽略．研究结果明确了国内外振动教材中相关结论成立的条件．

光电效应实验教学中截止电压变化原因的探讨

郑晓, 刘丰宁, 张国锋

2025, 44(6): 48. doi:10.16854/j.cnki.1000-0712.240493

摘要 ( 142 )

PDF (318KB) ( 101 )

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在光电效应实验教学中，通过测量不同频率下的截止电压，可以计算出普朗克常数，从而验证爱因斯坦光电效应方程的正确性，并加深对光的量子特性的理解.爱因斯坦的光电效应方程表明，截止电压是光频率的函数，而与光强度无关.然而，实验中发现截止电压的变化与光强度有关，因为光强度影响光电子的发射数量.不过，一旦达到饱和状态，光强度对截止电压便不再产生影响.此外，暗电流的存在也会影响截止电压的测量，带来误差.对这些因素的系统分析，有助于学生全面理解光电效应及其量子性质.

从伯努利方程到海拔计算的教学案例分析

殷航, 孙江凯, 叶龙, 冯林, 郝晓涛, 郭亮, 刘建强

2025, 44(6): 53. doi:10.16854/j.cnki.1000-0712.250109

摘要 ( 88 )

PDF (104KB) ( 47 )

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在教育强国建设的时代背景下，创新型人才的需求日益增加，创新型人才的培养也成为我国高校教育教学的重要改革目标与方向．创新型人才培养的关键在于优化学生思维方式．本文利用一个从伯努利方程到海拔计算的课堂教学案例，通过启发性教学方法和优化课程设计，在大学物理课堂教学中通过探究题目求解新途径，促进学生自主思维能力的形成，提升其独立解决问题的能力，以便更好地适应当今社会对创新型人才的需求．

生物技术专业大学物理教学实践探索

陈高远, 陈永强, 吴幸智, 葛丽娟, 李雅娟, 马春兰

2025, 44(6): 56.

摘要 ( 86 )

PDF (335KB) ( 61 )

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本文聚焦于生物技术专业大学物理教学实践，首先剖析了笔者团队在教学中发现的几个主要问题，包括教学内容与学生专业背景脱节、教学方式单一且灵活性不足以及考核评价体系不完善等. 并提出了一系列改进措施，包括紧密结合学生的专业背景、采用多元化教学手段、改进考核方式、强化教学评估与反馈机制以及引入AI技术辅助大学物理教学．以生物技术专业学生为对象，通过两个学年对比的结果发现，这些措施有效地提升了学生的学习热情、知识掌握程度以及解决实际问题的能力，同时也为学生创新能力的培养提供了有力支持.

以科研素养培养为核心的研讨式大学物理教学的探索与实践 ——以“抛体运动”为例

张颖, 王皓, 魏通, 杨雄

2025, 44(6): 63. doi:10.16854/j.cnki.1000-0712.240467

摘要 ( 98 )

PDF (855KB) ( 58 )

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结合国家对高校人才培养的要求，本文以大学物理课程为抓手，对以科研素养培养为核心的研讨式教学进行探索.针对传统教学模式中存在的重概念、轻创新，重传输、轻实践，重应试、轻能力等不利于科研素养培养的问题，对教学内容进行重构、教学方法进行创新，落实创新型人才科研素养培养目标.以抛体运动为例，将物理知识案例化，从“百步穿杨”经典典故出发，提出问题，采用递进式教学方法，引导学生进行研讨式学习，从知识、技能向方法素养转向.教学实践后采用问卷调查的方式，对教学模式及方式认可程度进行调研，发现学生认可度极高，学生科研意识、科研方法、科研精神均有所提高，此方案对本科生科研素养培养有一定的参考价值.

“光学”课程混合式教学的探索与实践

马洪, 侯淑婷, 多杰卓玛

2025, 44(6): 70. doi:10.16854/j.cnki.1000-0712.240401

摘要 ( 106 )

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鉴于西部地区师范教育所独具的地域、文化及民族多样性特征，作为西部高校的教育工作者在本科教育阶段应深度契合国家西部大开发战略的核心要求，清晰确立地方学科建设的独特定位，并紧密对接地区师范人才培养的迫切需求.本文基于西部地区师范专业“光学”课程，深刻剖析了当前教学中的实际痛点与模式固化，提出了一系列旨在化解这些痛点的教学创新策略与改进措施.这些策略聚焦于教学内容和教学过程的重塑，课程内容的更新与科学前沿拓展，还强调教学方式的多样化、师生互动的增强以及评价体系的改善.本文力求在西部地区师范类一流物理学专业建设中发挥积极作用，以培养兼具国际视野与本土情怀的物理教育人才，从而助力西部教育事业发展.

基于试卷分析与数据下载量的大学物理课程教学探索

肖海波, 朱家昆

2025, 44(6): 76. doi:10.16854/j.cnki.1000-0712.240406

摘要 ( 94 )

PDF (223KB) ( 43 )

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大学物理课程作为高等学校理工科类学生的一门公共必修基础课程，对培养学生科学思维和后续专业课学习有着重要的作用.本文基于学生课件下载数据与期末考试试卷分析数据对课程知识点得失分情况进行了有效分析，发现了教学中存在的问题，并提出了优化大学物理教学的相应策略，以期提升大学物理的教学效果.

声速测量虚拟仿真实验中物理模型的探讨

叶锦国, 杨静, 朱千越, 王增旭, 李永涛, 李斌

2025, 44(6): 81. doi:10.16854/j.cnki.1000-0712. 240387

摘要 ( 121 )

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基于声速测量实验现象和测量数据，提出了一个共振频率拟合模型和声波在发生端和接收端多次反射叠加形成干涉的声波的锥面传播衰减物理模型．根据以上模型推导声压幅度和相位公式，编写程序并且根据实测数据进行了拟合和验证，获得了必要参数．结果表明锥面波模型无论是在共振干涉法还是相位比较法的实验数据与推导的公式都较好的符合，拟合获得的参数为声速测量饰演的教学和虚拟仿真系统的搭建提供了理论指导．

多个均匀磁化匀质永磁球的相互作用能

张笑, 黄飞

2025, 44(6): 86. doi:10.16854 /j.cnki.1000-0712.240311

摘要 ( 127 )

PDF (269KB) ( 66 )

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本文运用磁荷观点，提出了一种简便计算多个均匀磁化匀质永磁球的相互作用能的方法，并从能量的观点讨论了磁球条形排列与环形排列的相对稳定性.

准周期结构光学衍射教学实验的设计与探索

李东坤, 鄢灿辉, 赵尔立, 李修泰, 王梓言, 林伟华

2025, 44(6): 90. doi:10.16854/j.cnki.1000-0712.240262

摘要 ( 92 )

PDF (613KB) ( 64 )

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彭罗斯镶嵌图是一种典型的准周期性图案，该结构的衍射有丰富的物理内涵. 本文以探究彭罗斯镶嵌图形的衍射为基础，探索了在面向物理专业学生的《普通物理实验》，以及面向非物理专业理工科本科生的《大学物理实验》中开设复杂结构衍射实验的可能性和可行性. 本实验教学内容初步设计为学习使用计算机编程生成彭罗斯镶嵌图、利用空间光调制器加载图形、自行搭建衍射装置、测量实验数据、基于衍射图样分析复杂结构图形. 本实验突破了传统周期性结构的限制，引导学生深入探究准周期性结构的衍射特性，实验方案不仅充实了普通物理实验课程衍射相关实验内容，还培养了学生的实验设计能力、动手能力和科学素养，具有重要的教学意义和应用价值.

基于Chladni板的声波调控

赵慕白, 郑立洋

2025, 44(6): 97. doi:10.16854/j.cnki.1000-0712.240497

摘要 ( 88 )

PDF (297KB) ( 49 )

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本文研究了Chladni板中振动的传播过程及其振动图案特征，细致讨论了Chladni图案的调控与合成办法．首先，本文从理论上建立了薄板振动问题的数学模型，成功揭示了振动模态出现的原因，探讨了模态叠加引起的振动图案变化．借助于数值模拟，进一步验证了理论模型预测的Chladni图案．最后，在实验上通过在板面铺上微小颗粒，成功观测到了不同的Chladni图案．本文的研究一方面有助于加深对板中波传播特性的理解，另一方面也提供了振动图案的控制与合成手段，为振动可视化研究、粒子操控等应用提供思路．

中国航天工程视域下大学物理课程教学设计与实践——以“动量守恒定律”教学为例

徐春玲, 谢东

2025, 44(6): 102. doi:10.16854/j.cnki.1000-0712.240296

摘要 ( 120 )

PDF (303KB) ( 106 )

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大学物理作为工科专业的一门重要公共基础课，不仅为后续工科专业课的学习提供必要的物理基础知识，还能为学生分析工程设计方案，利用科学论证设计方案的可行性进行评估.本文立足于航天工程视角，在我校航天类专业背景下，从新角度设计大学物理学课程教学设计与实践，同时“润物无声”地融入课程思政，本文以“动量守恒定律”这节课为例进行探索与实践.帮助学生形成物理思维观念和科学素养，学会建立火箭的一般简化模型，利用动量守恒定律近似得出火箭的速度表达式，在此基础上分析三级火箭的优势.整个教学设计过程提高了学生科学探究精神和工程设计能力，为大学物理课程教学的设计引出更宽广的思路.

双透镜对迈克耳孙干涉仪测激光波长实验的影响

蔡隆贤, 杨露洋, 刘广菊, 姚关心

2025, 44(6): 108. doi:10.16854/j.cnki.1000-0712.240429

摘要 ( 103 )

PDF (198KB) ( 48 )

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本文探讨了双透镜在迈克耳孙干涉仪测激光波长实验中的应用及其对实验结果的影响.通过引入双透镜系统，我们分析了光斑大小、环纹数量以及疏密情况的变化，并讨论了如何通过调节透镜间距来调节干涉环纹.实验结果表明，双透镜系统的使用能够显著降低迈克耳孙干涉仪调节的难度，提高实验效率，并对环纹吞吐计数的准确性有所提升．

利用Monte Carlo方法优化热中子诱发232Th(n,γ)233Th反应靶材厚度的研究#br#

任子牧, 张高龙, 吕广宏

2025, 44(6): 112. doi:10.16854 /j.cnki.1000-0712.240205

摘要 ( 101 )

PDF (263KB) ( 34 )

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在第四代反应堆的发展中，钍基反应堆（例如钍基熔盐堆）是其中一个重要的研究方向．由于钍的储量大等因素，利用中子诱发232Th发生辐射俘获反应产生233Th是钍基反应堆中的一个重要反应，用于产生易裂变核素233U．本研究采用Monte Carlo方法，定义了一种评价靶材和中子利用效率的综合利用系数，利用多项式拟合得到了综合利用系数和靶材厚度关系，并考虑了不同入射中子数目的影响，最后得到进行此反应的靶材最佳厚度为(1.980±0.002) cm．

STEM教育理念下跨学科实践项目的探索——重力小车的设计与制作#br#

赵宗宏, 费红阳, 张艺凡, 潘孟美, 吕栋栋

2025, 44(6): 116. doi:10.16854/j.cnki.1000-0712.240418

摘要 ( 100 )

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STEM是融合科学、技术、工程和数学等多学科知识的教育理念，强调跨学科学习，注重培养学生的创新思维和实践能力。物理是一门以实验为基础的学科，适合用来实践STEM教育理念。尝试在STEM教育理念的指导下，将科学、技术、数学和工程思想融入到重力小车的设计与制作中，对重力小车进行改进，在小车中加装了小型发电机，不仅能够演示重力势能转换为动能，还能够演示重力势能转换为电能.通过跨学科实践项目的探索，有助于学生从更多视角认识不同学科间的联系.

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