大学物理

玻尔兹曼：量子化第一人

曹则贤

2026, 45(08): 1. doi:10.16854/j.cnki.1000-0712.260617

摘要 ( 49 )

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玻尔兹曼是物理学史上的巅峰人物，是统计力学的奠基人.一般文献中，玻尔兹曼的名字会联系着麦克斯韦-玻尔兹曼分布、玻尔兹曼熵公式以及玻尔兹曼 H-函数，而能量量子化的概念是普朗克1900年第一个引入的.其实，早在1900年以前，玻尔兹曼和维恩的论文里随处可见Quantum一词.玻尔兹曼是笔者已知的第一个引入能量量子化假设的人.1868年，玻尔兹曼将分子动能加以量子化以求解碰撞问题，得到了统计力学的玻尔兹曼原理.1872年，玻尔兹曼借助动能量子化得到了气体的麦克斯韦分布，1877年注意到量子化的动能要从0 算起.玻尔兹曼的思想与研究方法深刻地影响了接下来的物理学发展，普朗克、索末菲、爱因斯坦和玻恩等几位物理巨擘关于量子论方面的工作都可见玻尔兹曼思想的印记.

宏观量子效应：量子现象是微观的吗？

敖平

2026, 45(08): 8. doi:10.16854/j.cnki.1000-0712.260116

摘要 ( 35 )

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一个亲历者对2025年诺贝尔物理学奖的一点观察和感悟-思考模式的变化：理论探索和实验努力剥离量子力学的“微观”定语，给我们一个学生、博士后、导师研究小组的成功范例，也是一个国际合作的好例子.

面向大学物理类教学的交互式庞加莱球偏振光学教学系统设计与实现

周宏强, 母存祺, 王宇涵, 满天龙, 万玉红

2026, 45(08): 10. doi:10.16854/j.cnki.1000-0712.250730

摘要 ( 32 )

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“光学”课程是应用物理类专业的核心教学课程之一.其教学大纲明确要求学生掌握偏振光的基本现象、原理和规律.然而，偏振态的抽象数学描述给教学与理解带来挑战.本文开发了一款基于Python的庞加莱球偏振态可视化分析系统，通过交互式三维可视化技术，将琼斯矢量、斯托克斯参数等理论模型转化为动态可操作的几何表示.系统支持单点偏振态映射、双偏振态相干叠加计算、实时参数解析与交互式三维显示，有效提升了偏振光学的教学直观性与分析效率.该系统不仅为理论教学提供了可视化工具体系，也为偏振光学的研究与工程应用提供了实用的仿真平台.

基于蒙特卡罗方法的缺陷尾闾强度计算

牛瑀泽, 李宇浩, 周洪波, 吕广宏

2026, 45(08): 16.

摘要 ( 41 )

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辐照环境下点缺陷迁移是一种典型的随机过程,本文采用经典扩散理论与对象动力学蒙特卡罗（OKMC）方法系统研究了空洞和晶界吸收点缺陷的尾闾强度.通过理论推导与数值模拟的结合,学生不仅能够加深对随机扩散、统计误差及蒙特卡罗方法等概念的理解,拓展其将计算物理知识应用于复杂物理系统建模的视野,还有助于培养其综合分析与计算实践能力.

硬自旋平均场理论在统计物理教学中的引入与应用——从伊辛模型到点稀释体系

侯吉旋

2026, 45(08): 21. doi:10.16854/j.cnki.1000-0712.250613

摘要 ( 31 )

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针对当前本科统计物理教学中，传统平均场理论在处理一维伊辛模型时给出错误有限温相变的普遍困境，本文提出将更为精确的硬自旋平均场理论引入课堂教学.文章详细介绍了硬自旋平均场近似的理论框架，其核心在于保留自旋的离散性，通过对近邻所有可能微观构型进行统计平均来建立自洽方程.我们以二维伊辛模型为范例，逐步演示了该方法的推导过程，并简要展示了一维、三维情形下的结果，证实了硬自旋平均场理论在定性正确性和定量精确性上的双重优越性.作为进阶应用，本文将硬自旋平均场理论推广至点稀释伊辛模型，通过引入对近邻数目的双重平均，得到了该模型的相图并讨论了磁性临界浓度，从而展示了该理论处理无序系统的能力与教学价值，为学生构建了一个从纯净到无序的连贯而深刻的理论图像.

悬滴的质量上限——兼谈国际上悬滴研究中的疏漏

于凤军, 汤振杰, 鞠林, 张希威, 田俊龙

2026, 45(08): 28. doi:10.16854/j.cnki.1000-0712.250296

摘要 ( 32 )

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一直以来，液滴形状的计算都是从液面的拉普拉斯方程出发的，因涉及到微分几何知识，对于低年级大学生而言，不易理解.本文提出一种易于理解的方法，通过隔离物体法推导天花板上液滴(即悬滴)的形状方程，并数值求解其形状；在确定悬滴的体积上限时，发现国际上相关研究中持续多年的错误.对目前关于悬滴稳定的必要条件进行补充，确定当接触角一定时悬滴的体积上限和质量上限，并给出一个精度高达10-4的体积上限拟合公式.

为什么禁线在活动星系核里这么亮？

刘润泽, 王双

2026, 45(08): 34. doi:10.16854/j.cnki.1000-0712.250513

摘要 ( 32 )

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禁线在实验室中几乎不可见，却在活动星系核中很常见，特别是在活动星系核的窄线区中异常明亮，甚至超过氢的允许线.这一现象长期以来都是天体物理研究的重要课题之一.本文从原子物理的多极辐射理论出发，分析了电偶极选择定则所禁止的跃迁如何依靠磁偶极、电四极等高阶通道实现辐射，并结合典型的自发辐射寿命、碰撞时标和临界密度估算，解释了在低密度、高电离的窄线区环境下禁线能够被有效激发和释放的原因.通过对合成光谱中典型禁线的讨论，本文进一步展示了禁线在刻画活动星系核气体条件与电离结构方面的独特作用，为后续基于发射线的诊断研究奠定了物理基础.

一维半无限长固体中扩散的注记

李富民, 杨军

2026, 45(08): 40. doi:10.16854/j.cnki.1000-0712.250459

摘要 ( 31 )

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一维半无限固体扩散是材料表面强化（如渗碳/渗氮）、半导体掺杂等工程的关键理论基础，其基于菲克第二定律的解析解对掌握扩散规律至关重要.当前材料科学基础教材对该解析解的处理存在教学痛点：一般从一维无限长扩散偶模型推导（将两根等径金属棒压焊为扩散偶，求解菲克第二定律后，将半无限扩散视为特例），但此方式会导致学生困惑——针对固体板材真空除气、表面脱碳等表面浓度为零的场景，追溯至无限长模型需假设“负浓度”金属棒，物理意义难以解释，反而增加教学复杂度.本文针对该问题展开研究：首先明确从无限长扩散偶推导半无限扩散公式的不合理性及学生困惑根源；随后提出直接推导路径——结合一维半无限扩散的初始条件与边界条件，通过玻尔兹曼变量代换法求解菲克第二定律，得到无歧义的浓度分布公式；同时以渗碳为例，介绍拉普拉斯变换法的简洁求解过程，验证结果一致性.此外，本文还解答学生关于扩散曲线凹凸性的疑问，指出曲线凹凸由2C/x2符号决定（浓度增加时曲线下凹、降低时上凸），与扩散趋向浓度均匀的本质一致，无法改变.该研究有助于帮助学生深入理解半无限扩散的物理内涵，为掌握扩散章节核心知识提供支撑.

多值函数积分在求解量子物理问题中的应用

谷文举, 伊珍, 李高翔

2026, 45(08): 45. doi:10.16854/j.cnki.1000-0712.240479

摘要 ( 20 )

PDF (824KB) ( 36 )

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本文以量子物理中二能级原子在特定结构环境中的辐射特性为例，探讨了多值函数积分的具体计算方法，涵盖了单割线和双割线两种情况.通过合理地选择割线并构建黎曼面，可以有效地解决多值函数积分在量子物理中的应用问题.掌握这些处理方法将有助于量子物理及相关领域的学习和研究.

对角反馈下的n阶矩形网络的等效阻抗研究

谭震

2026, 45(08): 49.

摘要 ( 18 )

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含有反馈的电路网络一直是科学研究的难题.本文考虑一类含有对角反馈的n阶矩形电路网络模型，导出了一个新的等效阻抗解析式，破解了一个复杂电路网络难题.所用的研究方法包括：建立支路电流的差分方程以及建立约束条件方程.采用严密的数学计算求解递推方程的通解与特解是解决问题的关键，特解的获得主要依赖于约束条件方程.文章最后分析研究了数个特殊结论以及无穷网络，同时验证了所得结论的正确性.该研究成果可以丰富电路教材内容，为理工科的大学生开展科学探究与研究提供借鉴.

一维单向传输拓扑电路中的多重相变现象

公卫江, 李家锐, 江翠, 李博, 张佳辉

2026, 45(08): 53. doi:10.16854/j.cnki.1000-0712.250620

摘要 ( 34 )

PDF (964KB) ( 41 )

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为解决量子物理中拓扑与非厄米物理相关概念抽象、难以在教学过程中具体化的问题，该研究以一维单向传输拓扑电路为教学载体，结合单向 Su-Schrieffer-Heeger模型，探索其在物理教学中的应用潜力与实践路径．发现该电路在不改变拓扑相的情况下，仅通过改变电容即可实现可调谐趋肤效应．因此，通过控制相关电路元件，可分别观测到趋肤效应转变与拓扑相变．该一维单向传输拓扑电路为量子拓扑与非厄米物理相关内容的教学与研究提供了可行的方案.

斜面法测重力加速度：轨道水平量化与测量误差修正

张红雨, 甘径宇, 朱云霞, 吕昭月

2026, 45(08): 59. doi:10.16854/j.cnki.1000-0712.250326

摘要 ( 30 )

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斜面法是测量重力加速度的常用方法，轨道初始水平状态对测量误差影响显著.本文通过引入加速度折合系数直观量化轨道初始水平状态：系数为0.5时，轨道处于严格水平状态；其值偏离0.5越多，轨道水平偏差越大.研究表明，轨道偏离严格水平越多，重力加速度测量误差越大.针对此系统误差，提出了基于折合系数的误差修正方案.不同水平状态和斜面倾角的多组实验结果表明，该修正方案呈现良好的可靠性和普适性，在不同测量条件下，均能有效降低重力加速度的测量误差.本研究为提升斜面法测量重力加速度的精确度提供了新思路和有效方案.

物理实验的深度探究与生活化、趣味性实践

邵明珍, 曾孝奇, 徐婷婷, 邓冬梅

2026, 45(08): 65. doi:10.16854/j.cnki.1000-0712.250172

摘要 ( 25 )

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本研究旨在探索一种创新的大学物理实验探究型课题设计，使其具有趣味性和生活化的特点，目的在于激发学生对实验的兴趣，唤醒学生学习的内驱力.鉴于此，实验课题设计深度关联学生生活场景，选用生活化常见材料构建低成本实验，同时突破传统实验室场所局限.将科学探究延伸到学生的日常生活中，深化学生对物理学原理的理解，培养其科学探究能力和创新思维.

BOPPPS教学模型在“强流带电粒子束物理”课程中的应用实践 ——以Z箍缩知识点为例

巨金川, 宋莉莉, 程新兵, 钱宝良

2026, 45(08): 69. doi:10.16854/j.cnki.1000-0712.250417

摘要 ( 19 )

PDF (696KB) ( 22 )

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强流带电粒子束物理是一门面向研究生的高级专业核心课程，主要讲述强流、相对论带电粒子束的物理知识、产生方法及其应用技术，具有理论抽象、公式推导复杂、与工程实践结合紧密等特点.为深度激活学生主体性，将BOPPPS教学模型引入到该课程的各个章节，结合课程知识点特性重构了教学流程.本文结合Z箍缩知识点为例阐述了相关教学实践，构建以学生为中心的课堂教学，达到激发学生的学习兴趣和课堂参与度、提升学生知识理解和学习深度、强化学生知识分析和应用能力的教学目标.

物理学专业课程思政育人与评价体系研究

王宇婷, 白丽娜, 王广宁, 杨昕卉, 刘艳芬, 杨瑞, 孙文军

2026, 45(08): 74. doi:10.16854/j.cnki.1000-0712.250605

摘要 ( 25 )

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物理学科是实现科技强国与教育强国战略目标的重要支撑，在教育体系和社会发展中占据着不可或缺的重要地位．物理学专业相关课程承载着诸多思政育人元素，如课程中蕴含的马克思主义基本观点、相关传统文化、学科发展史、相关领域科学家及其先进事迹、先进的科学技术等，这些思政育人元素是连接知识传授与立德树人的重要枢纽．论文在构建物理学专业八维课程思政育人体系基础上，采用层次分析法和熵权法相结合的主客观组合赋权法构建了基于大纲设计、案例设计、资源建设、育人实施、考核方式、育人效果的六维课程思政建设评价体系，计算并优化各评价指标的权重，结果表明评价指标育人效果最为重要．育人体系与评价体系构建及权重分配方法可为相关师生的后续课程思政研究提供理论支持与方法借鉴．

大学物理助力应用型本科人才推动新能源产业进步的研究

任杨阳, 于永芹, 宋峰

2026, 45(08): 79. doi:10.16854/j.cnki.1000-0712.250030

摘要 ( 22 )

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本文以机械设计、光源照明、集成电路、材料工程和微电子专业发展和就业为导向匹配课程内容，提出包含“定制教学大纲、借鉴欧洲经验、调整授课手段、以赛促学、产学研结合”在内的教学改革五步走策略．为广东培养物理学基础扎实的优秀工程技术人员，挖掘科技创新优势，打造全球重要人才中心和科技创新中心．

从大学物理到天体演化：角动量守恒在双星系统中的应用教学

方小慧, 王琪善, 徐跟建, 章其林, 刘宇航

2026, 45(08): 83. doi:10.16854/j.cnki.1000-0712.260120

摘要 ( 19 )

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角动量守恒是经典力学和天体物理学中的基本原理，源于空间旋转对称性，在密近双星系统的演化中起着决定性作用.本文以角动量守恒为核心，系统分析存在物质转移的双星系统中轨道周期的演化规律.通过建立理想化的双星轨道模型，推导出在总质量守恒且无外力矩作用条件下，轨道周期变化率与质量比及物质转移方向之间的定量关系.研究发现：当小质量子星向大质量子星稳定转移物质时，系统轨道膨胀，周期增大；反之则轨道收缩，周期减小，但该过程通常伴随热力学不稳定性，难以长期维持.进一步结合典型食双星 J101330.8+494846 的观测数据，验证了理论预测，并指出实际系统中常因磁制动、引力波辐射或物质抛射等机制导致角动量损失，使得轨道持续收缩.本文不仅深化了对角动量守恒物理内涵的理解，也为学生提供了从基础物理原理通向前沿天体物理研究的桥梁，具有显著的教学示范与科研启蒙价值.

基于《大学物理实验》的高校课程思政教育若干思考

史新伟, 李杏瑞, 连虹, 潘志峰, 高其龙

2026, 45(08): 86. doi:10.16854/j.cnki.1000-0712.240470

摘要 ( 22 )

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培养什么人、怎样培养人、为谁培养人是教育的根本问题，开展课程思政教育是各门课程必须要常抓不懈的工作和任务．本文结合《大学物理实验》课程思政案例以及作者近几年的物理实验授课经历和课程思政建设方面的工作，从“职”与“责”、 “时”与“效”、“术”与“道”、“量”与“质”4个方面论述了开展课程思政的必要性、方法及质量，得出结论：教师需担负起课程思政的使命，坚守职责、常抓不懈、育人先育己、注重质量，做到言传身教，才能使课程思政达到“大音希声，大象无形”的效果．

基于视觉暂留效应的重力加速度测量系统研究

金睿鳕, 常露情, 王海轮, 梁浩琳, 段语晗, 刘向, 彭小牛

2026, 45(08): 90. doi:10.16854/j.cnki.1000-0712.250291

摘要 ( 28 )

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本研究利用视觉暂留效应结合数字分析技术，设计了一套新型重力加速度测量系统.该系统使用信号发生器精准控制照明系统的闪烁频率、占空比，配合具有稳定出水速度的蠕动泵装置，实现悬浮水滴运动轨迹的可视化成像，并结合最小二乘法与Tracker软件处理实验数据，测量重力加速度相对误差为0.39%.本装置结构简单、操作便捷、现象直观易于观察且过程生动有趣，能够清晰呈现自由落体运动过程，适合推广至中学物理教学创新、科技馆互动演示等应用场景．

基于磁耦合的增强型低频接收天线设计

张庭恺, 吴诗莹, 张宸熙, 苏有为, 刘悦华, 曾梓伦, 许建春

2026, 45(08): 95. doi:10.16854/j.cnki.1000-0712.250501

摘要 ( 22 )

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低频电磁波在极端环境通信中具有低损耗优势，但传统低频天线设计存在有效传输距离有限的问题．为此，本文提出了基于磁耦合方案的接收天线，利用近场耦合机制，可有效提升低频信号传输效率，具备优异的低频接收特性，有效扩展信号传输距离．针对磁耦合接收天线的信号放大机理，本文深入分析了其关键参数对接收放大性能的影响规律，同时考虑阻抗匹配，旨在优化设计以获得最佳接收效果．引入放大增益系数作为评价指标，对所设计的磁耦合接收天线进行了系统的建模仿真与实验测试，并进一步开展了水下传输实验，以探究其在典型应用环境下的接收放大性能．结果表明，经优化设计的磁耦合接收天线在不同环境条件下均能显著提升低频信号传输效率．该技术在诸如地下救援、水下通信等对低频信号有迫切需求的领域展现出广阔的应用前景．

基于AI智能编程技能开发计算物理便携交互式程序的方法研究

林辉, 仇怀利, 于同坡, 卫泽闻, 刘昊天, 周琳, 李中军

2026, 45(08): 102. doi:10.16854/j.cnki.1000-0712.250493

摘要 ( 20 )

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算法代码实现是《计算物理》课程中连接理论与实践的核心环节.因编程语言随时代演变，各教材代码存在互通性差的问题.本工作基于搭载 DeepSeek 内核的腾讯元宝大模型，展示了将两个典型物理问题(汤姆森问题、核废料棒温度场)数值算法代码，改编为可便携使用的 JavaScript 语言.改编后的程序无需编译，可直接在浏览器中实现界面化操作运行，为课堂演示及学生学习提供便利.研究总结了 AI 智能编程在计算物理代码改编中的应用途径：如需清晰、聚焦描述程序需求，以引导模型精准应答；用引号分隔源代码，“上下文”提示增强模型理解；通过有效 “接续对话” 推动代码优化.研究成果可为同行提供借鉴，推动AI智能大模型深度融合物理课程教学.

人工智能赋能微纳光学器件设计能力培养

柴真, 刘婧双, 李青原, 黄馨瑶

2026, 45(08): 108. doi:10.16854/j.cnki.1000-0712.250568

摘要 ( 15 )

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在量子传感器领域的微纳光学器件设计中，现有研究生培养体系普遍存在跨学科知识壁垒、理论-实践转化困难的问题．针对这些痛点，本文提出了一种人工智能赋能的“设计-仿真-优化”闭环式、项目驱动型量子传感器专业研究生创新能力培养模式．该模式以解决真实科研问题为导向，引导学生利用人工智能算法进行微纳光学器件的设计与优化．本文以一项“基于深度学习的相位调控超透镜设计”的研究生课题为实践案例，指导学生逐步利用深度学习实现对超透镜的设计与优化．实践结果表明，该培养模式不仅可以有效提升学生在面对复杂工程问题时的跨学科能力与系统性思维，更提升其科研创新效率，为数智时代量子技术领域培育高水平人才提供了思路．

生成式AI在大学物理教学中的应用研究

武立毅, 刘聿白, 高如意, 祁小四, 赵光菊, 令狐双艺

2026, 45(08): 115. doi:10.16854/j.cnki.1000-0712.250627

摘要 ( 43 )

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针对大学物理教学中理论抽象、概念理解困难等问题，本研究提出了基于生成式AI的教学程序设计方法．以单色光衍射光栅光谱可视化为例，通过“教师—AI—学生”协作体系，构建了参数可调的网页端可视化平台．采用AI协作生成代码、教师验证优化的迭代流程，实现教学演示的低代码化开发．教学实践回收有效问卷的结果显示：91.7%的学生认为工具有助于理解抽象概念，95.8%认为学习兴趣得到提升，93.8%愿意课后继续使用．研究表明，AI系统作为智能支架有效降低了认知负荷，促进了从表象理解到抽象推理的认知跃迁，为物理教学改革提供了新路径．

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