大学物理

杨洪新

2025, 44(7): 1. doi:10.16854/j.cnki.1000-0712.250045

摘要 ( 352 )

PDF (782KB) ( 265 )

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磁性材料中的交换耦合机制是理解磁相互作用的核心概念，通常以对称性耦合的海森堡交换相互作用为主.然而，近年来的研究揭示了反对称交换耦合，即Dzyaloshinskii-Moriya相互作用(DMI)，在形成手性磁结构(如斯格明子和Néel磁畴壁)方面具有独特的物理意义，并在自旋电子学和信息存储中展现出广阔应用.本文通过引入DMI的物理起源、基于第一性原理的计算方法、典型材料中的应用和测量技术，拓展了对磁相互作用的教学讨论，为学生理解现代磁性材料的前沿应用提供了理论和实践支持.

基于一维δ势垒散射的惠勒延迟选择思想实验

金家森, 李伟佳, 于长水

2025, 44(7): 5. doi:10.16854/j.cnki.1000-0712.240458

摘要 ( 197 )

PDF (909KB) ( 175 )

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本文介绍了惠勒延迟选择思想实验，并阐述其在量子力学教学中引入的必要性与挑战性.为便于本科生接受和理解，本文通过求解定态薛定谔方程给出了一维单δ势垒和双δ势垒对自由粒子散射过程的透射系数和反射系数，并进一步分析了该散射过程与马赫-曾德尔干涉的对应关系.最后本文以一维δ势垒散射为例，设计了一种延迟选择实验在量子力学课堂教学的引入方式，以期为波粒二象性教学提供新素材，为学生理解提供新思路.

矢量算符的Rodrigues旋转公式及其应用

吴宁

2025, 44(7): 10. doi:10.16854/j.cnki.1000-0712.240502

摘要 ( 224 )

PDF (817KB) ( 125 )

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本文利用矢量算符在旋转下的全局变换性质给出了其满足的Rodrigues旋转公式的经典推导方法，并将该公式应用于两个物理场景：1. 对发表于本刊的论文 \[闫二斌. 论角动量的态空间. 大学物理，2021, 40(10): 18-21\] 中提到的一个结论进行了深层次的刨析，2. 求解了静磁场部分沿任意方向的拉比问题.

基于隧道磁阻效应的简易微弱磁场测量装置

罗铭扬, 王远航, 王吉洋, 王星博, 马越, 刘雍, 吴恒毅

2025, 44(7): 14. doi:10.16854/j.cnki.1000-0712.240419

摘要 ( 160 )

PDF (827KB) ( 95 )

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微弱磁场测量技术取得显著进展，巨磁阻和隧道磁阻传感器的突破推动了传感器的小型化和集成化，应用领域包括生物医学、地质勘探等.该论文基于隧道磁阻效应(TMR)理论，通过自主搭建一套TMR传感器装置用于测量微弱磁场，实现高精度、高灵敏度、方向敏感性、小体积和低功耗等特性.通过亥姆霍兹线圈标定TMR装置，线度偏差率仅为0.46%，验证了其测量磁感应强度的线性度和准确度.还实验验证了磁偶极子在空间中的衰减规律，通过TMR装置测量条形磁铁在不同距离下的磁感应强度，证实了其与距离的三次方反比关系.装置性能优秀，成本低廉，易于动手制作完成.具有一定创新性和推广意义.

Newmark方法在天体运行的DDA数值模拟中的应用

周泽钦, 喻勇

2025, 44(7): 18. doi:10.16854/j.cnki.1000-0712.240442

摘要 ( 113 )

PDF (1160KB) ( 52 )

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非连续变形分析（DDA）方法平行于有限元方法，是一种针对离散块体系统变形、运动分析进行求解的数值积分方法.在将DDA方法应用与天体运行模拟的过程中，采用常加速度时间积分方案进行长时间模拟会累积产生误差，本文将Newmark积分方案中的线性加速度法以及平均加速度法用于天体运行的DDA数值模拟，并将结果与虚拟天文馆软件Stellarium的数据进行比对，改进后的DDA方法天体模拟过程中实现了误差的减少，验证了改进后的DDA方法在天体运行模拟的有效性和实用性.

电场线方程的数值求解及可视化

贾小文, 范海英

2025, 44(7): 25. doi:10.16854/j.cnki.1000-0712.240525

摘要 ( 184 )

PDF (1170KB) ( 142 )

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提出了一种基于数值计算的电场线微分方程求解的通用方法，讨论了求解过程中的奇异性问题，简化了微分方程的求解过程，利用Igor Pro对孤立点电荷、一对同号电荷、一对异号电荷、一对同号长直导线、一对异号长直导线、复杂电场的电场线方程进行了数值求解和可视化，比较了基于泰勒展开的网格法逐点求解与数值微分方程求解的求解精度.

音叉受迫振动与共振实验中幅频响应曲线的研究

任小芳, 徐志林, 孙琪真, 闫志君, 张炯, 杨光

2025, 44(7): 30. doi:10.16854/j.cnki.1000-0712.240326

摘要 ( 230 )

PDF (1004KB) ( 97 )

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大学物理实验音叉受迫振动与共振中，现有教材和文献认为，采用电磁线圈作为传感器测得的音叉振动幅频响应曲线理论上是速度共振曲线，但实测幅频响应曲线与理想速度共振曲线的特性存在差异.本文理论分析并实验验证了实测幅频响应曲线与理想速度共振曲线之间特性差异的成因，结果表明，实测音叉作受迫振动的幅频响应曲线是在速度共振曲线的基础上，叠加了位移共振曲线的特征，该特征主要表现为：阻尼越大，音叉共振实验系统的共振频率越小；接收线圈到音叉臂的初始距离越近，位移共振对感应电压的贡献越大，从而共振频率随阻尼变化的斜率越大.本文研究结果对深入理解音叉受迫振动与共振实验涉及的物理规律具有重要意义，对完善大学物理实验教材中的受迫振动与共振实验也有所帮助.

大语言模型在大学物理实验课程中的应用探究

姜文印, 刘宸宇, 王宇兴, 王伟

2025, 44(7): 36. doi:10.16854/j.cnki.1000-0712. 240389

摘要 ( 362 )

PDF (1238KB) ( 96 )

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本文针对上海交通大学物理实验课程存在的教学难点问题，基于开源LlaMA2-7B大模型，设计出辅助学生学习的专门面向物理实验领域的生成式AI大模型——物理教育聊天机器人Chat Physics education（ChatPED）.在课程实施阶段发布给上课学生使用，并进行了对照试验通过对学生的问卷调查（N=200）发现，实验组学生普遍认为（75%）该模型对其学习有帮助，绝大部分同学（90%）希望在其他课程中继续使用.进行了双盲审成绩批改，实验组学生相较于对照组学生的最终成绩提高了0.2分（总分10分）.显著性P检验结果P<0.01,可以认为实验组学生成绩的提高与使用模型有关.我们的研究提供了AI技术应用在具体教学场景中的案例，具有一定的实践意义.

茶壶效应演示实验

郭禹辰, 刘冰, 王金铭, 张楠

2025, 44(7): 45. doi:10.16854 /j.cnki.1000-0712.240454

摘要 ( 152 )

PDF (885KB) ( 70 )

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用容器倒水时，水流会顺着容器外壁流下，造成这种现象的原理称为“茶壶效应”.该现象贴近生活且有较为直观的物理内涵，物理学家对“茶壶效应”的成因进行了深入研究并完成了很多工业设计，但相关原理尚未融入现有教学体系，形成实验教学内容.“茶壶效应”实验是为该原理开发的实验和相关教具.该实验操作简单，演示效果直观，丰富了物理实验的教学资源.

全息光镊教学实验设计及实践

王自强, 龚雷, 李银妹

2025, 44(7): 50. doi:10.16854 /j.cnki.1000-0712.240553

摘要 ( 114 )

PDF (1014KB) ( 43 )

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全息光镊技术是当前一项新型的实验技术.其将全息和激光光镊完美组合，成为交叉领域不可或缺的科研工具.本文探讨将全息光镊实验转化为光学综合教学实验.通过此综合教学实验，学生可了解全息光镊的设计及标定技术，掌握全息光镊系统的结构、原理及操作方法，加深对光的力学效应及全息原理的理解.该实验有助于提高学生综合实践能力，激发学生学习兴趣，培养学生创新意识.

基于SymPy库的非平衡电桥法测温实验教学改进方法

周曾鹏, 冀烨, 孟元靖, 于永芹, 吴海娜

2025, 44(7): 55. doi:10.16854 /j.cnki.1000-0712.250024

摘要 ( 110 )

PDF (867KB) ( 45 )

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基于非平衡电桥法热敏电阻测温实现电压与温度的线性响应，是大学物理实验课程中的重要项目. 该实验原理的阐述涉及繁复的公式推导，既不便于教师讲解，也不利于学生理解其核心思想. 本文结合SymPy库的符号计算功能，对模型推导和参数求解实现了简化和自动化，统一探讨负温度系数电阻和正温度系数电阻的线性化条件，继而求解了负温度系数电阻特性的多项式模型下的线性化参数，最后设计结合SymPy库的NTC型温度计实验，验证了电阻高阶模型下线性拟合误差小的优势. 通过物理教学数字化以及模型间的对比突出教学中物理思想的重要性，并加深学生对实验原理的认识.

气垫导轨上阻尼系数的研究

董勇, 张洁

2025, 44(7): 60. doi:10.16854 /j.cnki.1000-0712.240469

摘要 ( 168 )

PDF (1172KB) ( 65 )

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通过测量气垫导轨上弹簧振子的品质因数，研究了弹簧振子的阻尼系数.随弹簧振子质量的增加，阻尼系数一直变大，而品质因数先增大，在振子质量达到临界值后减小.在给滑块贴上小磁铁片增加磁阻尼后，从品质因数可以确定磁铁片的数量之比，并且磁铁片的磁极排列方式变化会引起品质因数的改变.对弹簧振子的阻尼振动进行了电学类比，在示波器上直观展示振动的衰减，在特定条件下，电路阻尼增大时，时间常数保持不变.

跨越百年的不相容之光 ——纪念不相容原理发现100周年

任心如, 赵春然, 朱孟正

2025, 44(7): 68. doi:10.16854/j.cnki.1000-0712.240494

摘要 ( 130 )

PDF (786KB) ( 68 )

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沃尔夫冈·泡利(Wolfgang Pauli)是20世纪最重要的理论物理学家之一，他提出的“泡利不相容原理”对于量子力学的发展来说具有里程碑意义，不仅为量子力学奠定了重要基础，也为物理学家理解微观世界的结构与行为以及研究现代物理学提供了关键性的理论工具.值泡利不相容原理建立100周年、该成果获诺贝尔物理学奖80周年之际，本文通过回顾泡利不相容原理的提出背景、发展过程以及其在现代物理学中的应用，旨在探讨从量子力学基础到现代物理学中泡利与不相容原理的历史演进与影响.

基于Matlab的大学物理问题驱动式教学

刘嘉宁, 张景璐

2025, 44(7): 72. doi:10.16854/j.cnki.1000-0712.240273

摘要 ( 213 )

PDF (976KB) ( 101 )

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Matlab因其可视化、仿真等功能逐渐在大学物理教学中得到广泛应用.目前Matlab辅助大学物理教学的研究主要集中于教师对Matlab的使用，相对忽视了学生的主观能动性.本研究以“如果万有引力遵从j次反比律，行星将如何运动”问题为例设计基于Matlab的大学物理问题驱动式教学，引导学生参与程序设计，从而帮助学生构建物理图像，提高问题解决能力，培养发散思维，建立质点系动力学的知识结构.

超短激光脉冲测量教学实验开发和教学建议

高宇, 侯楠, 李泽林, 李丰果, 吴先球, 姜小芳

2025, 44(7): 78. doi:10.16854/j.cnki.1000-0712.240552

摘要 ( 120 )

PDF (1044KB) ( 74 )

相关文章 | 多维度评价

本文设计并搭建了基于自相关法的超短脉冲测量教学装置，在激光脉宽测量的基础实验上，开发了测量未知透明介质折射率、光纤色散系数以及激光脉冲全局信息三个不同层次的综合应用实验．实验设计充分体现了时间分辨技术的物理思想和科学研究方法，有助于增强学生对超短激光领域前沿科技的认识，提升科学素养和创新能力．装置引入CCD和LabVIEW，使实验现象直观化、测量过程自动化，与现代科研工具并轨，有助于激发学生科研兴趣．超短激光脉冲测量教学实验设计实现了基础实验和前沿科学研究的有机结合，适合在近代物理实验课程推广应用．

姚建铨院士追光精神与课程思政的融合

于音, 陈渝麒, 宋峰

2025, 44(7): 84. doi:10.16854/j.cnki.1000-0712.240604

摘要 ( 94 )

PDF (814KB) ( 39 )

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姚建铨院士，是我国激光与光电子领域的开拓者和领军人物，其一生都在为“追光”事业不懈奋斗，展现出了坚定的理想信念、深厚的家国情怀和无私的奉献精神.这种“追光精神”正是当代科学家精神的集中体现，也是课程思政建设的宝贵资源.本文将探讨姚建铨院士的“追光精神”内涵，探究如何将这种精神融入课程教学，以培养兼具专业知识和高尚品格的新时代人才.

任务导向型大学物理教学模式研究——以太原理工大学为例

刘一凡, 刘红利

2025, 44(7): 89. doi:10.16854/j.cnki.1000-0712.240517

摘要 ( 155 )

PDF (870KB) ( 57 )

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现行的大学物理教学，面临课程挑战性不足、个性化教学缺失、思政融合度低等问题．本文创新提出“任务导向型BOPPPS教学模式”，以物理任务为核心，优化“导入、前测、课中、参与学习、后测和总结”六大环节，构建“一中心、两平台、三融合”的学习共同体，整合教材与前沿案例、线上线下资源及思政教育，实现优质学习的目标．通过在太原理工大学物理教学中践行该模式，显著提升了学生解决实际问题的能力和学习兴趣．

“价值引领、科教融汇、创新实践”电动力学课程探索与实践

伏洋洋, 刘友文, 杜朝玲, 盛伟, 陈昌东

2025, 44(7): 95. doi:10.16854/j.cnki.1000-0712.240540

摘要 ( 98 )

PDF (861KB) ( 48 )

相关文章 | 多维度评价

“电动力学”作为物理专业的核心课程，对培养从事相关基础科学和应用技术研究的创新人才具有重要价值．面向国家发展对基础研究提出的新要求以及科学研究范式变革带来的发展机遇，开展“电动力学”课程教学改革，对新时代拔尖创新人才的培养至关重要．本文从重构教学内容、创新教学模式、强化实践能力、深化价值引领等方面，探讨了“电动力学”课程建设的改革举措与实践成效，为基础学科拔尖创新人才的培养提供了新的思路与实践路径．

基于Rasch模型的科学建模测评工具开发研究

姚子琪, 姚建欣, 郑立梅

2025, 44(7): 99. doi:10.16854/j.cnki.1000-0712.250067

摘要 ( 94 )

PDF (961KB) ( 30 )

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模型是解决科学问题的认识论工具，提升建模能力是科学素养发展的关键．现有研究在学生如何理解科学模型和基础教育阶段的建模任务解决等方面取得了进展，但对大学生科学建模测评方面的研究工作还较少．在已有的科学建模理论和测评研究的基础上，该研究以科学建模能力的学习进阶为依据，按照六个步骤开发了大学生建模测评工具．应用项目反应理论中的Rasch模型作为实证数据分析算法，从拟合度、信效度、难度等方面对测评工具进行了质量检验．

氢原子能级与光谱的交互式演示

金奇涛, 张珠峰, 王振洋, 祁敬娟

2025, 44(7): 105. doi:10.16854/j.cnki.1000-0712.240410

摘要 ( 158 )

PDF (963KB) ( 86 )

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本文利用Wolfram 语言设计了氢原子能级和光谱的交互式演示程序，并将相关代码推广到实现演示由相对论效应和自旋-轨道耦合效应所引起的氢原子能级精细结构，以及不同类氢离子间能级与光谱的对比．相关程序可用于原子物理教学中进行交互式演示辅助教学，帮助学生加深对相关知识的理解．

基于迈克耳孙干涉原理的测温方法

陈俣轩, 辛祺, 王启栋, 段雪松, 孔祥明, 叶文江

2025, 44(7): 113. doi:10.16854/j.cnki.1000-0712.240175

摘要 ( 190 )

PDF (996KB) ( 84 )

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温度是表征物体宏观物理性质变化的重要参数之一,精确确定物体温度在物理教学和研究中起着重要作用.迈克耳孙干涉光路是一种常用的光路,有着搭建简单、精度较高的特点.本文提出了一种基于迈克耳孙干涉原理的测温方法,其机理是温度变化引起液体折射率及穿过液体的光程发生变化,从而导致干涉条纹的改变.通过对钟表油、去离子水、无水乙醇、丙三醇、调和油五种液体进行实验测量并对实验数据进行线性拟合,得到了干涉条纹移动数量与温度变化量存在着线性关系.该测温方法优点：线性拟合关系较好,相关系数R2值均大于0.999；可适配的测温为30~80℃,且随介质的不断扩展,此范围可继续扩大；精度较高,不同温度范围下测量相对误差在4%左右；能够准确反映温度变化的实时值.此研究有助于学生对温度定标的理解,拓展学生对温度测量方法的认知.

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