物理与工程

2024年04期

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双月刊

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尝试用量子力学概念表述Compton散射的能量和动量守恒 摘要 Bohr等人曾经认为，微观过程中能量和动量守恒是统计的守恒。Bothe等人用Compton散射实验验证了X射线的光子和电子的单次碰撞前后的总能量和总动量守恒严格有效，这样的结果也否定了统计的守恒。一些量子力学书的引言中，Compto...
电磁场波动方程的唯一解必然满足Maxwell方程 摘要从Maxwell方程组导出的波动方程的解，代回Maxwell方程中去是否还能得到满足，是电磁场与电磁波课程学习中有时会遇到的问题。本文给出了由自由空间的无源Maxwell方程导出电场和磁场波动方程的过程，然后根据均匀平面波的定义，求...
将前端科学研究与实际工程问题融入教学 摘要晶体缺陷是影响材料性能的关键因素，位错理论是提高材料强度的重要基础，已成为当今晶体塑性理论和材料强化理论的基石。由于其概念复杂、理论抽象，学生在学习过程中往往无法建立完整的晶体缺陷和位错理论的认知体系，缺乏用位错理论解决复杂材料工程...
偶极矩及其排列构型 摘要第52届国际物理奥林匹克理论试题第一题为“Permanent magnets”，翻译为“永磁体”，主要考查偶极子之间及偶极子与其他磁体的相互作用。本文首先较全面地介绍了本试题的命题要点和背景知识，并分析了国际学生和中国学生的答题情况...
面向人文社科类本科生科学素养培育的物理课程体系建设 摘要为培养具有科学素养和创新能力的青年人才，构建一套针对本科学生的物理通识课程体系显得尤为重要。在推进实施教育改革和课堂改革中，中国人民大学物理学系近年来建设了以非理工科专业本科学生为受众的物理通识课程体系。该体系旨在提升学生的科学素养...
对电磁波从辐射近区到远区特性的分析 摘要在大学物理关于电磁波辐射的教学中，重点讲解了电磁场在辐射近区和远区的特点。同学们认识到，对电偶极辐射，在辐射源附近，电场是与静场类似的纵波，而在远离辐射源的区域电磁波是横波。电场是怎样从纵波过渡到横波的呢？这个过渡区较为复杂，一般...
基于BOPPPS模式的大学物理实验混合式教学设计与实践 摘要大学物理实验是一门高校理工科培养应用性、创新性人才的基础课程。在金课建设背景下，为切实提高实践类课程的高阶性、创新性和挑战度，课程采用线上线下混合式教学方法，构建基于BOPPPS教学模式的闭环实践教学流程，突出以学生为中心，强调学生...
以“四维”能力导向的应用型本科院校大学物理及实验课教学模式的创新与实践 摘要本文针对培养“应用型人才”的教学目标，本文提出了以“四维”能力为导向的大学物理及实验课程改革的思路，构建了“四位一体”循序渐进的课程体系，实行分层次、分级的教学模式，对教学内容进行模块化、分层次重构，采用“问题+研究性”教学方式，为...
材料类专业大学物理教学创新设计体系构建 摘要大学物理作为材料类专业学生的重要基础课程，在整个本科阶段的培养方案中起承上启下的作用。目前关于线上线下结合方式开展材料类专业大学物理课程建设方面的研究还鲜有报道，本文通过多年的教学实践，总结了针对材料类专业大学物理课程教学改革的教学...
计算模拟在“近代物理实验”教学中的应用 摘要 “近代物理实验”是物理类专业的一门必修课程，结合近代物理实验课程的特点以及培养目标，将前沿的科学研究思想和方法引入到教学实践是实验课程改革的重要方向之一。本文介绍了我校在近代物理实验中开设计算模拟实验，以常规光电效应实验内容为基础设...
问题驱动的类比法、互动型、研究性教学模式 摘要充分考虑一流课程应具备的高阶性、创新性和挑战度的特点与要求，作者以北京航空航天大学（北航）电磁学课程建设为例，经过近四年在应用物理专业强基计划、物理学专业拔尖计划学生的教学实践中，提出并实施了问题驱动的类比法、互动型、研究性的教学模...
新工科背景下基于大学物理数值仿真的创新型人才培养 摘要本文通过在大学物理教学中引入基于数值仿真的科学研究方法，创新大学物理教学内容和教学模式，以深化学生对物理基本概念的理解，培养学生的创新意识和创新思维。在教学过程中，结合大学物理典型知识点设计数值仿真研究案例，并通过实践教学的方式，引...
互动合作教学在大班理科课程中的有效性检验 摘要基于大班教学存在的问题，很多学者提出了不同的解决方案，但鲜有互动合作教学在大班理科课程中的对比实证研究。通过在两个大学物理课程中人数较多的班级进行对比教学实践，检验其有效性。互动合作教学班将学生分成多个小组，有利于进行小组讨论和合作...
对分课堂教学模式的优势与局限性 摘要本文以光的干涉和衍射为例，具体阐述了对分课堂的教学目标、教学过程、教学评价等方面，并探讨了对分课堂的优势和局限性。本文的创新点在于：（1）将对分课堂教学模式应用于光的干涉和衍射这一具有较强抽象性和难度性的物理内容中，探索了一种有效的...
ETA 物理教学法在大学物理实验教学中的应用 摘要 ETA 物理认知模型是关于物理认知规律的研究总结。根据ETA 物理认知模型，完整的物理认知由实验物理（Experimental Physics）认知、理论物理（Theoretical Physics）认知和应用物理（Applying...

一维谐振子薛定谔方程含时演化非级数解析解 摘要 1926年薛定谔找到了一个一维谐振子薛定谔方程含时演化解析解。这个解并不是能量本征态波函数级数求和形式。这可以让我们从新的角度理解量子系统的随时间演化行为。本文主要对该含时演化解析解进行了分析，给出了两种推导方法，然后继续推广得到了...
量子力学狄拉克符号量纲问题 摘要在量子力学中波函数和狄拉克符号教学中，很少思考到波函数的量纲问题，而狄拉克引入的左矢和右矢是描述量子态的强大工具。然而，关于狄拉克符号是否具有量纲的问题似乎很少被讨论，似乎大家理所应当地认为狄拉克符号只是一个没有量纲的数学符号而已。...
超导量子计算约瑟夫森参量放大器的基本工作原理 摘要约瑟夫森参量放大器是超导量子计算实验的关键，本文介绍其基本物理原理并对约瑟夫森参量放大器的器件物理特征、实现设计、发展变形作一详细的讨论，基于实际的实验经验，给出一套行之有效的约瑟夫森参量放大器最佳工作点的确定方法。本文有助于对超导...

引力诱导自发辐射机制简介 摘要引力诱导自发辐射机制将黑洞看作一个多能级多简并量子系统，因此其辐射蒸发过程的中间态是各种不同质量比黑洞辐射产物直积态的叠加。由于被作为经典对象看待的黑洞与辐射产物是对这种叠加态部分指标求迹的结果，所以它们之间的纠缠熵在整个辐射过程中...
热电器件性能的生态优化研究 摘要基于热电效应制造的热电器件在热能与电能之间的转换方面具有特殊优势，而对热电器件的性能优化更具有现实意义。基于有限时间热力学理论，本文利用生态判据研究了热电热机和制冷机的热力学特征，在构建生态判据函数的基础上，推导出了热电器件的效率和...

俘获效应对缪子寿命测量的影响 摘要缪子是粒子物理标准模型中的基本粒子，对其研究不仅涉及基础物理的前沿，还包括相关技术在工业民生领域的应用。对缪子寿命的测量涉及时间膨胀、费米耦合常数和原子核俘获等众多近代物理知识点，在大学本科物理课程中开设相关教学实验具有重要意义。通...
天文源跟踪和数据文件生成 摘要本文是专题“面向天文、物理和多个工科专业的射电望远镜实验平台”上篇，内容包括望远镜基本参数和实验设计，以及天文源跟踪、数据文件生成两个实现望远镜天文观测功能的选做实验。太阳是距离我们最近的较强天文射电源，本文基于实例介绍了太阳射电流...
RLC 电路中的电容电压过充现象研究 摘要 RLC 电路是大学物理及电路分析等课程中的重要内容之一，更是电子仪器及通信设备中的基本单元。当RLC 电路处于工作状态时，电容两端电压会出现超过电源电压的过充现象。然而，现有的教科书中对此现象缺少必要的原理阐释。实际上，过充现象蕴含...
利用瑞利数理论研究贝纳德对流的产生条件 摘要贝纳德对流是在从下方加热的流体的平面水平层中发生的一种自然对流现象。研究此现象对于深刻认识耗散结构的物理图像以及流体在混沌系统中的运动具有重要意义。为研究其产生的条件以及物理特性，本文建立流体模型，从基本控制方程组出发，导出在固定边...
新型磁悬浮实验装置研究 摘要根据电磁学的基本原理，永磁体或载流线圈在外磁场中会受到磁力的作用，当磁力完全克服重力时便达到磁悬浮状态。基于磁悬浮的基本原理，本文设计制作了一种新型的磁悬浮实验教学装置，利用一套装置有机地将磁场、电流与力结合起来，实现了直流和交流...
典型分形结构光栅的Fraunhofer衍射数值模拟 摘要本文旨在研究Cantor条幅、Cantor地毯、Sierpinski垫片三种自相似分形结构的Fraunhofer衍射场在屏上的光强分布以及自相似分形结构的几何规律. 通过复数积分法和位移相移定理，得到了屏幕上不同位置相对光强的数学表...
基于自燃对流与三维平板大攻角绕流模型的纸螺旋动力扭矩研究 摘要本文以蜡烛自燃空气对流与平板大攻角绕流为理论基础，对2022年青年物理学家锦标赛（IYPT2022）设计题 “蜡烛动力涡旋机”（Candle Powered Turbine）针对性地开展了理论分析、实验研究和数值模拟分析。本文根据蜡...
织物衍射特性的研究 摘要本文研究了三种典型结构的丝袜在不同外力作用下的显微结构和衍射图案，希望为光子晶体结构色织物的研究提供参考。基于实验结果建立了三种复杂结构模型，本文从理论上推出其衍射光强表达式，并利用软件编程仿真了衍射图案。研究发现：（1）包芯丝短袜...

曲面轨道摩擦力做功问题的讨论 摘要摩擦力做功问题是大学、中学物理教学中常见的问题，也是物理教学的重点和难点。本文推导了物体在任意粗糙曲面轨道上运动的摩擦力做功表达式，并以四分之一圆弧轨道和抛物线型轨道为例，借助MATLAB软件数值计算，结合图像分析物体下滑过程中速率...
基于STEM 理念“小中大”融合式科学工程教育研究 摘要工程教育是培养国家后备科技人才的核心战略支柱，已成为教育界密切关注的需求热点。当前国家已在高等教育阶段以工程认证的形式构建工程类专业教育框架，但由于机械化应试教育的短视性，仅在高等教育阶段短期实现工程师的培育缺乏合理性。近年，STE...
ETA 物理认知模型下的大中衔接研究 摘要本文基于ETA 物理认知模型，对物理教学中大中衔接问题进行探索研究，从早期学生认知中可能隐含的问题入手，分析高中课程内圆周运动向心加速度的例子，逐步过渡到天体椭圆运动的情形。本文主要从建立公理认知角度，对极坐标参考系的速度、加速度进...
一种新的精确方法求单摆的周期 摘要本文以单摆为例，使用高斯AGM 函数和级数展开方法分别近似求解单摆周期，并和理论值进行了对比。本文最后对一道有关纯滚动的球在圆轨道内周期问题作了巧妙求解。关键词纯滚动;类简谐振动;周期;高斯AGM 函数;级数展开...
质点在粗糙曲面上的滑动问题研究 摘要质点在光滑半球面上的运动是高中一个很好的研究问题。在本文中，我们将此问题推广到任意粗糙曲面上，基于牛顿第二定律推导出速度的显式积分形式，它在某些情况下是有解析表达式的，并且得到了一个通用的表达式来确定质点离开曲面的分离角条件。在最后...