大学物理

2025年诺贝尔物理学奖解读：量子叠加从微观走向宏观的百年旅程

于一涵, 李昕怡, 许凯, 范桁

2026, 45(4): 1. doi:10.16854/j.cnki.1000-0712.250720

摘要 ( 81 )

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2025年诺贝尔物理学奖授予了约翰·克拉克(John Clarke)、米歇尔·H·德沃雷(Michel H.Devoret)和约翰·M·马丁尼斯(John MMartinis)，以表彰他们在超导电路中实现并操控宏观量子相干态的决定性贡献.他们的工作证明，量子力学的核心特征——相干叠加，并非微观粒子的专属，也可以在由数十亿电子组成的、工程化的人造宏观系统中存在并被精确控制.本文将从量子叠加的基本概念出发，阐述退相干如何模糊了量子与经典的界限，并介绍获奖者如何利用超导电路这一平台，实现了宏观能级量子化、相干振荡与量子隧穿，最终为现代量子计算与量子工程奠定了物理基础.

浅析超导磁悬浮

李京祺, 徐逸瑗, 张佳田, 马继云, 张劲松, 秦明阳, 朱北沂, 金魁

2026, 45(4): 5. doi:10.16854/j.cnki.1000-0712.260006

摘要 ( 39 )

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超导体能在磁体上展现出引人入胜的悬浮与倒挂现象，超越了简单的抗磁性解释.本文首先演示了相关的关键实验现象，随后从磁化强度与受力之间的关系出发，阐述了超导体悬浮和倒挂的物理起因.为进行定量描述，我们又通过Bean模型计算出了外磁场变化下超导体的内部磁通分布与宏观磁化强度，尝试给出超导磁悬浮的经典物理图像.本文旨在提供超导磁悬浮的初步理论框架，文中涉及的第二类超导体、磁滞特性、磁通量子等专业术语满足不同背景的读者需求，亦为后续的深入分析做铺垫.

基于里德堡原子的微波电场测量

武良隆, 陈锦渝, 肖孟卓, 陈海霞, 卫栋

2026, 45(4): 11. doi:10.16854/j.cnki.1000-0712.250248

摘要 ( 37 )

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里德堡原子具有较大的电偶极矩，对外界电场极为敏感，能够用于电场强度的精确测量. 里德堡原子电磁感应透明（EIT）光谱在微波作用下产生的Autler-Townes（AT）分裂间隔与微波电场强度成正比，通过对该分裂间隔进行测量，即可得到电场强度的测量值. 本文基于铷原子的EIT-AT光谱实现了微波电场的测量，最小可测电场强度为3.7 mV/cm. 本实验在大学物理实验教学中有着重要的应用价值：其一，学生能够借助该实验掌握原子光谱、电磁感应透明以及量子精密测量等相关知识，从而深刻领会相关理论的内涵；其二，通过自主构建实验装置，学生在光电实验方面的动手能力可以得到有效提高. 本文所展示的实验装置构造简单，易于搭建，非常适用于本科综合物理的实验教学.

几何电感对并联超导电路中电流分配的影响

章建高

2026, 45(4): 16.

摘要 ( 30 )

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在正常态导体组成的并联电路中，电流的分配与各支路的电阻成反比.超导体没有电阻，在由超导体组成的并联电路中电流是如何分配的？由于超导电流测量的复杂性，这个基础性的问题长期处于被忽视的状态.由于并联电路中必定存在电感，在正常态下电感对并联电路中电流分配的影响往往被忽略，而在超导状态下可能成为影响电流分配的主要因素.为从实验上证实这一结论，在本研究中设计了一个测量并联超导电路中的电流分配的实验装置，在该装置中应用霍尔效应传感器测量电流强度，避免对并联超导电路零电阻特性的破坏.实验结果证实，并联超导电路中的电流分配与各支路的电感成反比.

纳米尺度电场作用可视化实验设计——基于教学型STM系统的单分子操控案例研究

张鑫, 陈晓瑞, 严超, 王恒通, 高健智

2026, 45(4): 21. doi:10.16854/j.cnki.1000-0712.250308

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在现代教育中，将前沿科技融入物理实验教学是一种创新尝试.针对物理实验教学中电场作用微观机制可视化缺失的难题，本研究设计并实践了基于教学型扫描隧道显微镜（STM）的纳米尺度单分子操控实验.通过自研STM系统与电场调控模块，构建了C60分子提取-转运-释放的可控实验案例，并通过(C60)7团簇合成任务显著提升跨学科创新能力.该案例将前沿技术转化为可复现的教学实验，为微观物理现象的可视化教学提供了创新范式.

通过动能及动量的再分配推导质能方程及相对论动量

江克侠, 武怡, 王春锋

2026, 45(4): 24. doi:10.16854/j.cnki.1000-0712.250550

摘要 ( 27 )

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本文梳理了原始文献对质能方程与动量关系的推导方法，原始文献逻辑严密，但分析过程对教学而言显得复杂，在现代教材中应用受限. 本文提出一种基于“动能及动量再分配”思想的新推导方案，通过引入光量子概念，结合多普勒效应，分析辐射的对称光子，其能量与动量在不同惯性系中的变换关系，从而在不依赖电动力学的情况下，同步推导出质能方程与相对论动量关系. 该方法逻辑清晰、数学简洁，适用于少课时的教学，有助于学生理解质量、能量与动量的内在关联，为相关内容的教学改进提供了新思路．

运动点电荷的感知电量与Lienard-Wiechert势

李波, 于惠

2026, 45(4): 34. doi:10.16854/j.cnki.1000-0712.250338

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连续电荷分布的推迟势与运动点电荷的Lienard-Wiechert势是大学《电动力学》教学的重点也是难点.本文构造了初等数学可解的连续分布实例，绘制并分析了给定时空坐标的观测者所感知的电荷分布及电量，以协助理解Griffiths所著经典教科书中由推迟势公式导出Lienard-Wiechert势的半直观方式.本文有助于澄清感知电量与相对论尺缩效应无关、形象化电磁相互作用传递速度的有限性这一基本认知、深化经典电动力学中点电荷这一基本概念的理解.

导出洛伦兹变换式的一种逻辑过程

管从森, 范化喜

2026, 45(4): 39. doi:10.16854/j.cnki.1000-0712.250506

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本文从狭义相对论的两条基本原理出发，结合空间对称性，给出了洛伦兹变换式的一种新的详细导出过程.与教材中通常的证明相比，该方法使用了空间对称性来说明某些问题，且未引入“间隔”的概念.文中仔细讨论了坐标系的设置方法及其对变换式的影响，论证了x′和t′的变换式与y和z无关的原因以及y′和z′的变换式与x和t无关的原因，这些问题在普通教材中都未见解释.此证明过程供学习或讲授大学物理以及物理学专业的广大师生参考.

电磁学规律的全息性

宋立涛, 何杰, 王杰芳

2026, 45(4): 44. doi:10.16854/j.cnki.1000-0712.250345

摘要 ( 27 )

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本文首先类比全息原理引入了全息性的概念，然后从矢量场论中的斯托克斯定理和高斯定理出发对电磁学规律的全息性进行了讨论，最后结合电磁学规律的全息性对静电场、静磁场边值问题的唯一性定理以及电磁波场的边值定解问题的物理本质进行了分析.结果表明静电场和静磁场边值问题的唯一性定理以及电磁波场边值定解问题都可以认为是电磁学规律的全息性在实际问题中的具体体现，从而可以帮助学生更好地理解这些定理以及惠更斯-菲涅尔原理的物理本质.

气体分子的相互作用与气液相变

曹万强, 潘瑞琨, 张蕾

2026, 45(4): 47. doi:10.16854/j.cnki.1000-0712.250195

摘要 ( 26 )

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基于范德瓦尔斯方程推导了真实气体的临界特征、凝聚和过冷-相变过程. 分析结果表明：分子间较强的吸引作用及较弱的排斥作用使相变温度升高. 低于临界温度的过冷气体因压强阻力保持为亚稳态，需要外界诱导才能发生相变. 温度越低，压强阻力越小，且过冷气体与相变点的体积差越大. 温度下降的速度越快则过冷气体的相变也越快. 压强对气液共存线的影响与理想气体相差一个修正因子.

含反馈电阻的n阶T形电阻网络的电特性研究

谭志中, 杨建华, 张华

2026, 45(4): 50. doi:10.16854/j.cnki.1000-0712.250478

摘要 ( 18 )

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任意n阶T形电阻网络（TRN）在电路领域及微波领域有着重要的价值．文章考虑了一类含有反馈电阻的n阶TRN的电特性(包括等效电阻及任意节点的电压)，取得了方法拓展和理论创新．采用的主要研究方法是以节点电压为变量建立递推方程模型以及边界条件方程模型，通过严密的数学计算推导出差分方程的通解与特解，由此导出了所求TRN任意节点的电压解析式，同时导出了任意2节点间的等效电阻公式，并分析与讨论了结论的特殊情形．

彭罗斯风筝形线电荷在空间中的电场分布

郝清海, 张宏燕, 晁铭潞, 谭红革, 杨雄

2026, 45(4): 54. doi:10.16854/j.cnki.1000-0712.250342

摘要 ( 32 )

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线电荷作为静电场的经典模型，在静电场分布教学和研究中具有重要意义.传统模型多聚焦于周期性或规则几何图形的线电荷，彭罗斯镶嵌为研究非周期性线电荷提供了理想模型.本文选取具有非周期性但能长程有序排列铺满平面的彭罗斯风筝形线电荷，根据带电线段电场强度公式和叠加原理，通过矢量场平移+旋转操作，得到了风筝形线电荷在三维空间中任意一点的电场强度，绘制了风筝形线电荷的电场分布图，并分析了静电场变化规律及物理意义.采用自适应辛普森积分算法，计算了风筝形线电荷的电势分布.在风筝形线电荷所在平面内，靠近顶角处等势面相对密集；在各边中点附近区域等势面相对稀疏，并平行于带电线段，符合电场强度分布特征.

关于涡旋电场中电压测量的讨论

曹江伟, 王荟萃, 赵凌艺

2026, 45(4): 58. doi:10.16854/j.cnki.1000-0712.250382

摘要 ( 17 )

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涡旋电场是《电磁学》课程中的难点之一，尽管通过环路积分和旋度的计算可以准确描述它与静电场的不同之处，但相对枯燥的数学公式很难帮助学生理解其物理本质．Walter Lewin关于涡旋电场中电压测量的演示实验直观地给出了涡旋电场与静电场的不同，又给学生留下很多疑惑和思考．本文讨论了处于涡旋电场中的导体回路在平衡状态下的电场分布和电荷积累，回答了涡旋电场中测量得到的“电压”到底是什么的疑惑．这些分析有利于加深学生对于涡旋电场的概念及其与静电场不同之处的理解，同时也能培养学生透过现象看本质的科学精神.

物理学研究方法在电动力学教学难点突破中的应用

张悦

2026, 45(4): 63. doi:10.16854/j.cnki.1000-0712.250319

摘要 ( 25 )

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电动力学课程教学难度较大是高校物理教育中普遍存在的现象.基于作者多年教学实践的系统研究，本文指出该教学困境的根源在于传统教学模式未能有效呈现理论物理以“猜想-推导-验证”为特征的探索性研究方式.在现有课程体系难以单独开设物理学史课程的条件下，本研究提出了一种基于统编教材内容的教学改革方案：通过将理论物理的研究范式有机融入教材知识讲授过程，实现教学内容与物理研究思维方法的深度融合.文中以位移电流假说的提出、静电场边值问题的求解以及推迟势的建立为典型案例，详细阐述了物理研究的探索性思维在教学中的具体实施路径.最后，通过教学实践的效果评估，总结了可推广的教学经验，并提出了进一步的改进建议.

《热学》教学改革——以立德树人为核心的思政教育

曲波

2026, 45(4): 70. doi:10.16854/j.cnki.1000-0712.250653

摘要 ( 21 )

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热学作为大学物理专业核心课程，不仅蕴含丰富的科学知识，更承载着深厚的哲学思想和价值内涵. 本文基于课程思政教育理念，探讨如何在热学教学中有机融入思想政治教育元素，实现知识传授与价值观引领的统一. 通过挖掘热学发展史中的科学精神与家国情怀、热力学定律蕴含的哲学思维、熵增原理反映的生态观等内容，构建“知识-能力-社会主义核心价值观”三位一体的教学模式. 本文提出案例教学法、专题研讨法、课外实践法、科学家故事会等具体实施策略，旨在培养学生的科学素养、社会责任感和家国情怀，为理工科专业课程思政建设提供参考与借鉴.

AI融合混合式物理情境教学的实践与效果分析

戴俊

2026, 45(4): 73. doi:10.16854/j.cnki.1000-0712.250242

摘要 ( 23 )

PDF (954KB) ( 7 )

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线上线下混合式教学已经成为当前物理课堂组织的主要形式，然而调查发现混合式教学的线上资源存在交互性与创新性不足、学生学习效果及信息分化、抽象知识理解达成度低等难以解决的问题.基于当前人工智能AI开源工具的普及，本文探索利用混合式教学中嵌入AI辅助课堂实验设计创新任务，通过分步设计课堂自主探索实验并与AI辅助环节进行深度结合，实现AI技术对实验方法及细节优化，促进学生对混合式教学过程中主动性学习，提高学生基于个人学习特质下AI辅助实现物理实验设计探索能力，增强学习者课堂情境体验.问卷调查结果显示，融合AI辅助实验情境构建的学习场景下，学生的知识理解度、知识记忆及内化度、创新协作能力、正向学习情绪均得到了显著改善.

基于CCD的液体折射率测量装置设计与研究

孟祥禹, 王硕阳, 柯驹阳, 张继元, 石宇航, 于音

2026, 45(4): 78. doi:10.16854/j.cnki.1000-0712.240269

摘要 ( 13 )

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为了准确、快速、便捷的非接触测量液体的折射率，本文提出了一种利用线阵CCD测量透明液体折射率的方案，并设计了一种全新的测量液体折射率装置. 对该装置的光路进行精确设计，将其应用于液体折射率测量，对测量结果进行定量分析. 实验测量了不同浓度的乙醇溶液折射率，其相对误差小于0.6%.本装置结构简单、便携性好、测量操作简单、测量准确，实现了透明液体折射率的高精度测量.

基于坐标轴变换求解复杂晶体结构的介电常数

祁宁薇, 李思涵, 张洋, 刘俊

2026, 45(4): 84. doi:10.16854/j.cnki.1000-0712.250309

摘要 ( 9 )

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晶体的宏观对称性影响着其物理性质，其中介电常数作为重要的物理量，可通过理论计算有效简化实验测量.本文基于晶体介电常数的二阶张量形式，提出了一种旋转坐标轴的方法，旨在更直观地求解晶体的介电常数.本文以正四面晶体结构为例，在新坐标系中对晶体进行对称操作，求得旋转矩阵，进而实现晶体介电常数的简化，该方法显著改善了现存方法的经验性和抽象性.推导过程不仅直观地呈现了晶体介电常数的退化，还能够加深同学们对介电常数物理本质理解和计算能力强化.

玻尔兹曼、费米及玻色分布下理想气体的平均相对速率

黄金龙, 李宁, 王菲, 胡海云, 张用友

2026, 45(4): 87. doi:10.16854/j.cnki.1000-0712.250299

摘要 ( 5 )

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气体分子平均相对速率是理解气体输运性质的核心物理量. 本文针对理想气体，系统推导了三种常见统计分布即玻尔兹曼分布、费米分布及玻色分布下的气体平均相对速率表达式. 对于玻尔兹曼分布也即麦克斯韦分布，严格给出平均相对速率解析解. 在绝对零度下，理想费米气体的平均相对速率和平均速率分别为u=3635vF和v=34vF（vF为费米速率），而理想玻色气体的平均相对速率和平均速率均为0. 在非零温下，它们则需通过数值积分求解. 计算结果表明平均相对速率和平均速率完全由速度分布律决定，这为气体动理论相关的热学教学提供了重要补充.

涡旋光的反射及折射

邓迪文, 杨元杰

2026, 45(4): 91. doi:10.16854/j.cnki.1000-0712.250293

摘要 ( 9 )

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涡旋光作为一种携带轨道角动量的特殊光场，近年来在光学操纵和光通信等领域中展现出巨大的应用潜力. 我们知道，反射与折射是自然界中最常见的光学现象，但涡旋光相对于普通光而言有着独特的反射和折射机制. 本综述首先介绍了涡旋光的基本概念，然后分析了涡旋光在反射和折射过程中的独特现象，重点讨论了涡旋光产生的附加 Goos-Hnchen位移和 Imbert-Fedorov位移的理论机制，最后对应用前景进行了展望.

利用方波调制波进行声波探伤实验方法

解茸雪, 辛志慧, 曾健翔, 柏兴吕, 吴胜峰, 尹一雯, 寸志杨

2026, 45(4): 98. doi:10.16854/j.cnki.1000-0712.250339

摘要 ( 8 )

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为提升声波探伤实验装置的测量精度和可操作性，本文基于脉冲反射法中缺陷回波法的原理和方波调制波的理念，结合PicoScope 6000E系列示波器、超声波探伤用固定装置、探头等，搭建了一套半自动化声波探伤系统. 该系统通过振幅键控法生成方波调制波，经示波器接收并分析回波信号，再由 Matlab完成小波降噪和B-scan分析，即可确定缺陷深度和具体位置. 实验结果显示，10mm深平面缺陷的深度相对误差不超过2.02%；13.5mm深圆孔缺陷的深度相对误差不超过1.53%；10mm深2mm宽平面缺陷的位置相对误差不超过1.49%. 改进后的装置有效提高了测量精度和可操作性.

核心素养下前沿科技引领中学科普的策略研究——以引力波探测为例

曹珍毓, 吴媛, 郭进先, 陈丽清

2026, 45(4): 104. doi:10.16854/j.cnki.1000-0712.250274

摘要 ( 7 )

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基于核心素养培养需求与义务教育课程标准对前沿科技普及的要求，本研究聚焦前沿科技融入中学科普教育的策略问题.研究采用问卷调查与访谈法，发现当前科普存在覆盖范围窄、家校重视不足、内容衔接断裂等问题.据此，从核心素养视角提出实验演示、游戏互动及习题检测的课程策略，并以“激光干涉仪探测引力波”为例设计“时空涟漪”课程案例.实践表明，相关策略有效提升了科普教育效果，具有可行性.研究构建了科技与课堂融合的多维路径，为中学科普教育的教学设计提供了可复制的实践范式，助力学生科学素养发展.

从解题方法看大学与高中力学的差异

刘树新

2026, 45(4): 113.

摘要 ( 5 )

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通过力学解题方法的对比，多方面比较了大学和高中力学的差异，希望对于教材的选择、教学内容的优化和习题范围和难度的配置，有一定的参考作用.

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