大学物理

曹庆宏, 刘佳, 吴桃李, 王小平, 黎彬, 桑海波

2025, 44(12): 1. doi:10.16854/j.cnki.1000-0712.250378

摘要 ( 160 )

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本文系统探讨了人工智能(AI)在物理学科拔尖人才培养中的作用与路径.本文分析了AI在提升教学效率、优化学习体验和实现个性化支持方面的教育潜能，进而以基于问题的多元合作教学模式(TSAI)和AI赋能的本科科研训练为例，剖析了AI赋能物理拔尖人才培养的具体实践. AI不仅是技术工具，更推动了教学理念和学习方式的变革.基于AI与人类的优势互补，通过人机协同，激发学生提问、决策与创新能力，强化物理学科的育人价值.最后，提出了AI与物理教育融合的实践建议，为高校人才培养提供理论和实践参考.

基于金刚石NV色心系综的电子自旋能级测量

于同坡, 林辉, 范经纬, 张霆, 李中军, 陈冰

2025, 44(12): 9. doi:10.16854/j.cnki.1000-0712.250185

摘要 ( 138 )

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本文设计并实现了一种基于NV色心系综的量子化能级测量实验装置，结合光探测磁共振(ODMR)技术，相较于传统电子自旋共振(ESR)实验依赖的大功率微波源与高灵敏度探测器，本方案通过纳米金刚石团簇与共聚焦显微系统，实现了低成本高灵敏度测量. 通过使用纳米金刚石团簇增强荧光信号，结合共聚焦显微系统与微波扫频技术，实现了室温下电子自旋能级的塞曼效应及温度响应观测.本实验方案适用于大学物理教学，可帮助学生理解量子能级测量原理及固态量子传感技术.

毕奥-萨伐尔定律的柱坐标表示及其应用

李子良, 陆丁, 王伟懿

2025, 44(12): 16. doi:10.16854/j.cnki.1000-0712.250286

摘要 ( 116 )

PDF (554KB) ( 85 )

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利用直角坐标系和柱坐标系之间的转换关系给出了毕奥-萨伐尔定律的柱坐标表示形式，并利用该形式计算了无限长载流螺线管和无限长载流圆柱体在空间中产生的磁场分布.结果表明，毕奥-萨伐尔定律的柱坐标形式在计算具有轴对称性的载流导线产生的磁场时会更加简便.另外，还计算了载流椭圆线圈在中心轴线上的磁场分布，特别指出部分文献中提出的用坐标缩放法计算载流椭圆线圈在空间任一点的磁场分布的方法是不可行的.

波包二维布拉格散射的物理图像研究

王普, 邓志姣, 林惠祖, 陈平形

2025, 44(12): 20. doi:10.16854/j.cnki.1000-0712.250012

摘要 ( 76 )

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电子晶体衍射实验验证了德布罗意物质波假说，是量子力学建立史中的一个重要事件．本文通过数值模拟波包在二维周期排列δ势场中的散射过程并辅以解析计算，探讨了实物粒子比如电子发生布拉格散射的现象．研究展示了散射过程的演化特点，并分析了相关参数对散射的影响，为量子力学高维散射部分的教学提供了直观物理图像．

基于矢量磁位的均匀磁场边界条件加载方法

唐烈峥, 张峪豪, 周国华, 卞强, 郭勇, 周屹

2025, 44(12): 25. doi:10.16854/j.cnki.1000-0712.250076

摘要 ( 67 )

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以均匀外磁场为激励的磁场计算通常以标量磁位构造边值问题，但涡流磁场等问题则须以矢量磁位作为位函数进行求解，目前尚无公开文献报道其均匀磁场的边界条件设置方法.为此，本文提出了两种基于矢量磁位的均匀磁场边界条件加载方法，通过分离变量法推导了其磁场解析解，并开展了有限元磁场仿真分析，解析计算和数值模拟均表明所提边界条件可产生均匀分布的磁感应强度，研究结果可为均匀时变磁场激励下的涡流磁场仿真提供参考.

同时的相对性”案例详解

靳奉涛, 张森, 高城, 王小伟

2025, 44(12): 29.

摘要 ( 64 )

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在狭义相对论的学习中，“同时的相对性”是一个难点，初学者在惯性参照系间进行时间、空间的变换时很容易被“绕晕”.尤其是根深蒂固的日常经验会对“同时”的理解带来很多困惑.本文设计了两艘相向飞行的飞船以及地面上的一个观察者，通过三者时钟走时的比较，将“同时的相对性”的理解困难展现出来.在案例的解析中，不仅通过洛伦兹变换分别在不同的参照系中进行详细的计算，并且通过“对钟”闪光实验直观地将光速不变原理的作用展现出来.

巧用留数定理计算一维XY模型的保真率

罗强

2025, 44(12): 35. doi:10.16854/j.cnki.1000-0712.250205

摘要 ( 47 )

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保真度及其所衍生的保真率是量子信息中的重要概念，并已成为确定量子相变的重要探针．不过，鉴于量子可积模型的稀缺性，如何得到保真率的解析解并非易事．针对这一问题，本文以一维XY模型为例，首先构造了若干含参积分并运用留数定理巧妙地求得它们的解析表达式，随后建立了不同相变过程中保真率与含参积分的关系，并由此给出保真率的封闭形式．本文彰显了保真率在确定量子相变中的作用，并强化了留数定理在解决复杂物理问题上的能力和优势．

关于光的相干性与激光的方向性特点的理解

陈培锋, 吕暄

2025, 44(12): 40. doi:10.16854/j.cnki.1000-0712.250204

摘要 ( 77 )

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本文针对学生在理解激光高方向性与空间相干性联系时存在的困惑，系统分析了普通非相干光源与激光光源在相干性及方向性上的本质差异．通过对比物理光学与激光原理中的空间相干性理论，阐明了二者的区别与内在联系，为学生深入理解激光“四性”提供了理论支撑．

并驾齐驱带电粒子之间相互作用的定量研究

黄绍书, 冯俊杰

2025, 44(12): 44. doi:10.16854/j.cnki.1000-0712.250166

摘要 ( 103 )

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在假定带电粒子为规范几何体模型的前提下，根据电流强度的微观定义和全电流定律以及毕奥-萨伐尔定律等推理出一个带电粒子运动产生的徙动电流、位移电流和磁感应强度的表达式.进一步计算真空中并驾齐驱的两个带电粒子之间的电场力和磁场力，给出电场力和磁场力的速度约束关系和速度量值判据，并跟考虑相对论效应得出的相关结果比较其一致性.指出只有带电粒子运动速度接近光速的条件下，磁场力跟电场力才有可比性.

两个电子自旋耦合的单态和三重态的导出

黄永义

2025, 44(12): 50. doi:10.16854/j.cnki.1000-0712.250082

摘要 ( 55 )

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基于两个电子自旋的非耦合的基矢，利用升降算符直接地自然地导出了两个电子自旋耦合的单态和三重态．

基于紧致差分的矩形区域上的泊松方程的求解

裴晓琪, 王嘉华, 谭佳, 虞立敏

2025, 44(12): 52. doi:10.16854/j.cnki.1000-0712. 240346

摘要 ( 54 )

PDF (768KB) ( 23 )

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泊松方程是数学和物理领域一类重要的椭圆偏微分方程，在电磁学、等离子体物理等领域里有重要应用.数值上，高效的求解泊松方程受到广泛关注.差分法是一种常见的数值离散和求解这类椭圆微分方程的方法.相比于传统的二阶差分方法，紧致差分法通过引入紧致算子，可以提高差分方法的计算精度并减少计算量.本工作应用紧致差分法在矩形区域内，对于无源和有源线性泊松方程，实现直接求解，而对于有源非线性泊松方程，在紧致差分法基础上采用了迭代求解.解析解和数值解应用Matlab进行可视化.同时，该求解器的准确性和可靠性通过解析解和数值解的对比得到验证.本工作对物理学中各种类型的泊松方程的求解具有重要意义以及表明可视化对数学物理方法课程的学习具有重要作用.

二十面体团簇的空间利用率

刘志国, 赵景庚, 张耀辉, 王先杰, 黄喜强, 刘伟龙, 吕喆, 隋郁

2025, 44(12): 59. doi:10.16854/j.cnki.1000-0712.250079

摘要 ( 60 )

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存在幻数是团簇的基本特征. 对于以范德瓦尔斯力结合的团簇来说，可以用二十面体模型来描述，并能很好地重现幻数. 虽然二十面体团簇中央原子的配位数为12，但并不是密堆积结构. 为了支撑团簇，沿顶点方向，“原子球”相切.关于二十面体团簇空间利用率的具体计算方法，目前几乎找不到. 我们利用球面几何进行了计算，其空间利用率随着壳层数的增加而减少. 在无穷多层时为68.82%，介于体心立方和面心立方（六方密堆）结构之间. 本文的结果可为从事团簇教学和研究的同行提供参考.

McMillan公式在氢基超导体中的应用

李斌

2025, 44(12): 64. doi:10.16854/j.cnki.1000-0712.250009

摘要 ( 64 )

PDF (541KB) ( 20 )

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McMillan公式是BCS超导理论体系的重要组成部分，是预测传统超导体超导转变温度的重要公式.本文介绍了McMillan的原始公式和 Allen与Dynes 修正后的形式，并以氢基超导体为例，应用McMillan公式揭示电声子耦合强度、声子对数频率和超导转变温度的关系.超导现象和超导电性是固体物理的重要问题和前沿课题，在固体物理教学中应重视超导相关问题及其在现代物理领域中的作用.

常力势能及其在理论力学解题中的应用

陈立群

2025, 44(12): 67. doi:10.16854/j.cnki.1000-0712.250130

摘要 ( 62 )

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本文证明常力是有势力并应用常力势能求解理论力学问题.在平衡问题中，常力势能的引入可以用势能驻值建立受常力作用的有势系统的平衡条件并判断稳定性.借助常力势能可以将保守系统的拉格朗日方程应用于受常力作用的有势系统，在拉格朗日函数不显含时间或广义坐标时，得到相应的广义能量守恒和广义动量守恒.

自制基于LabVIEW的一维高精度磁通门磁力计

左雪阳, 胡家玮, 白露行, 白在桥, 王爱记

2025, 44(12): 69. doi:10.16854/j.cnki.1000-0712.250083

摘要 ( 43 )

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微弱磁场的测量在科学、工程、医学和日常生活中具有重要意义且应用广泛，对技术进步和人类认知的拓展起着关键作用.本文基于LabVIEW滤波器程序设计制作了两个具有环状磁芯的一维高精度磁通门磁力计，并用于微弱磁场测量.两个磁力计均采用1.5kHz的正弦波作为激励信号.不同的是，其中1号磁力计采用1k107薄带作为磁芯材料，测得敏感度为2913×10-4 V/μT，最小分辨率56.0 nT，量程约为1300 μT；2号磁力计采用1j85薄带作为磁芯材料，测得敏感度为3.050×10-4 V/μT，最小分辨率99.5 nT，量程约为600 μT.实验验证了磁力计在四种典型磁场（地磁场、亥姆霍兹线圈、直流导线及小磁铁磁场）中的测量能力，测得的磁场分布与理论吻合.

一种测量斯特林热机系统转动惯量的新方法

李凌燕, 林何威, 肖洋茗, 冯智浩, 王艾坭, 李壮华, 游春莲, 王兆明

2025, 44(12): 79. doi:10.16854/j.cnki.1000-0712.250132

摘要 ( 37 )

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基于斯特林热机模型，提出了一种测量其系统转动惯量的新方法.该方法无需拆卸实验装置，只需在热机驱动飞轮系统正常运转过程中接入负载发电机，通过测量负载发电机的输出功率及接入负载后热机驱动飞轮系统进入匀速转动阶段的角速度与撤去热机驱动后飞轮系统匀减速转动阶段的角加速度，即可间接测量出该系统的转动惯量.将此方法的测量结果与另外一种传统转动惯量测量方法进行对比，实验结果的对比分析表明，该方法具有较高的有效性和准确性.这一测量方法为结构复杂或难以拆卸的实验装置的转动惯量测量提供了一种新的理论研究途径，为不同驱动力驱动的飞轮系统的转动惯量测量提供了新的思路和应用价值.

凯特摆正倒摆周期相等的位形参数快速搜索算法

陈立恒, 于丹, 高勇贵, 周亮

2025, 44(12): 83. doi:10.16854/j.cnki.1000-0712.240555

摘要 ( 27 )

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用凯特摆测量重力加速度的关键步骤是让其正摆和倒摆的周期相等. 本文以凯特摆在正摆与倒摆时的周期差异为目标函数，给出其对悬挂点、大摆锤和小摆锤位置这三个位形参数的单调性和敏感度分析. 在此基础上，我们提出了一种快速寻找凯特摆正倒摆周期相等的位形参数的算法，此算法显著减少了位形参数的调整次数，大幅地提高了测量的效率.

人工智能在《高等电磁场》课程中的辅助教学研究

包扬, 刘子嫣, 周飞, 陈欣茹, 宛汀

2025, 44(12): 89. doi:10.16854/j.cnki.1000-0712.250156

摘要 ( 49 )

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《高等电磁场》课程是电磁场与无线技术专业开设的一门重要的专业基础课，是微波工程、天线理论等课程的学习基础.该课程立足于麦克斯韦方程的积分和微分形式的求解，各个知识点的学习均以大量的公式推导为基础，理论性强、概念抽象.将人工智能方法引入《高等电磁场》课程的学习，既可以保持该课程知识点的传授与可持续性发展，又融合了当下流行的人工智能算法，激发了学生的学习动力.本文将以《高等电磁场》课程中涡流检测问题和电磁散射问题的授课为例，对复杂繁琐的检测响应的全波仿真计算引入人工智能算法，将复杂的数值计算和当下主流的人工智能算法相结合，避免了突兀枯燥，引发学生的学习热情，通过结合实际涡流检测的工程案例，将理论融入实践，提升学生参与度并激发其创新潜力.

劳特伯对磁共振成像的研究

尹晓冬, 梁婧 , 刘战存, 樊世富

2025, 44(12): 94. doi:10.16854/j.cnki.1000-0712.240499

摘要 ( 30 )

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劳特伯多年致力于用核磁共振研究化学结构,在观察到老鼠恶性组织的弛豫时间明显长于其正常组织后,他深入思考如何将这一特性用在医学中无创检查人体内肿瘤上,产生了以磁场梯度作为核磁共振空间编码的创意，通过波谱仪进行实验,为磁共振成像奠定了基础,并持续研究磁共振成像技术.他视科学研究为自己的生命,紧抓机遇,注重逆向思维,不怕批评,坚持创新, 这些品质是他成功的重要因素.

欧拉-海森伯非线性电动力学中的光线偏折

段星宇, 马孟森

2025, 44(12): 104. doi:10.16854/j.cnki.1000-0712.250189

摘要 ( 47 )

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强电磁场的非线性效应会改变真空的性质.基于欧拉-海森伯非线性电动力学理论，研究了光子在非线性电磁场诱导的等效时空几何中的传播特性.通过研究等效球对称弯曲时空模型，推导出光子运动遵循的方程，并计算了光线在这个等效的球对称引力场中的偏折效应.数值计算表明只有当电荷电量达到1010C数量级时，非线性修正导致的光线偏折角才可能达到弧秒量级.

前沿研究专著推荐《生物分子马达的统计物理与复杂输运》

高天附, 郑志刚

2025, 44(12): 108. doi:10.16854/j.cnki.1000-0712.250236

摘要 ( 43 )

PDF (883KB) ( 34 )

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非平衡输运是当今非平衡与复杂系统统计物理学最重要、最活跃的前沿之一. 生物分子马达是典型的非平衡态下的复杂体系，其非平衡输运过程与统计物理是该领域研究的重点内容. 鉴于目前国内缺少关于分子马达的系统性专著，我们撰写了《生物分子马达的统计物理与复杂输运》这部学术著作. 本专著将植根于分子马达这一领域，根据马达的多样性从物理上建立不同类型的棘轮模型，并应用非平衡态输运理论、随机能量学和随机热力学理论详细探讨了分子马达产生定向输运的生物复杂性行为. 全书共分9章，系统地向读者展示了分子马达领域的基本问题及其应用的新发展. 本专著可供从事统计物理与分子马达领域研究的科研人员、研究生和大学高年级本科生阅读，对与生物物理学研究相关的交叉领域的研究人员也有重要的参考价值.

《大学物理》2025年总目次

2025, 44(12): 113.

摘要 ( 45 )

PDF (636KB) ( 33 )

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