物理與工程

2024年04期

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嘗試用量子力學(xué)概念表述Compton散射的能量和動(dòng)量守恒 摘要 Bohr等人曾經(jīng)認(rèn)為，微觀過(guò)程中能量和動(dòng)量守恒是統(tǒng)計(jì)的守恒。Bothe等人用Compton散射實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了X射線的光子和電子的單次碰撞前后的總能量和總動(dòng)量守恒嚴(yán)格有效，這樣的結(jié)果也否定了統(tǒng)計(jì)的守恒。一些量子力學(xué)書(shū)的引言中，Compto...
電磁場(chǎng)波動(dòng)方程的唯一解必然滿足Maxwell方程 摘要從Maxwell方程組導(dǎo)出的波動(dòng)方程的解，代回Maxwell方程中去是否還能得到滿足，是電磁場(chǎng)與電磁波課程學(xué)習(xí)中有時(shí)會(huì)遇到的問(wèn)題。本文給出了由自由空間的無(wú)源Maxwell方程導(dǎo)出電場(chǎng)和磁場(chǎng)波動(dòng)方程的過(guò)程，然后根據(jù)均勻平面波的定義，求...
將前端科學(xué)研究與實(shí)際工程問(wèn)題融入教學(xué) 摘要晶體缺陷是影響材料性能的關(guān)鍵因素，位錯(cuò)理論是提高材料強(qiáng)度的重要基礎(chǔ)，已成為當(dāng)今晶體塑性理論和材料強(qiáng)化理論的基石。由于其概念復(fù)雜、理論抽象，學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中往往無(wú)法建立完整的晶體缺陷和位錯(cuò)理論的認(rèn)知體系，缺乏用位錯(cuò)理論解決復(fù)雜材料工程...
偶極矩及其排列構(gòu)型 摘要第52屆國(guó)際物理奧林匹克理論試題第一題為“Permanent magnets”，翻譯為“永磁體”，主要考查偶極子之間及偶極子與其他磁體的相互作用。本文首先較全面地介紹了本試題的命題要點(diǎn)和背景知識(shí)，并分析了國(guó)際學(xué)生和中國(guó)學(xué)生的答題情況...
面向人文社科類本科生科學(xué)素養(yǎng)培育的物理課程體系建設(shè) 摘要為培養(yǎng)具有科學(xué)素養(yǎng)和創(chuàng)新能力的青年人才，構(gòu)建一套針對(duì)本科學(xué)生的物理通識(shí)課程體系顯得尤為重要。在推進(jìn)實(shí)施教育改革和課堂改革中，中國(guó)人民大學(xué)物理學(xué)系近年來(lái)建設(shè)了以非理工科專業(yè)本科學(xué)生為受眾的物理通識(shí)課程體系。該體系旨在提升學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)...
對(duì)電磁波從輻射近區(qū)到遠(yuǎn)區(qū)特性的分析 摘要在大學(xué)物理關(guān)于電磁波輻射的教學(xué)中，重點(diǎn)講解了電磁場(chǎng)在輻射近區(qū)和遠(yuǎn)區(qū)的特點(diǎn)。同學(xué)們認(rèn)識(shí)到，對(duì)電偶極輻射，在輻射源附近，電場(chǎng)是與靜場(chǎng)類似的縱波，而在遠(yuǎn)離輻射源的區(qū)域電磁波是橫波。電場(chǎng)是怎樣從縱波過(guò)渡到橫波的呢？這個(gè)過(guò)渡區(qū)較為復(fù)雜，一般...
基于BOPPPS模式的大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)混合式教學(xué)設(shè)計(jì)與實(shí)踐 摘要大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)是一門(mén)高校理工科培養(yǎng)應(yīng)用性、創(chuàng)新性人才的基礎(chǔ)課程。在金課建設(shè)背景下，為切實(shí)提高實(shí)踐類課程的高階性、創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)度，課程采用線上線下混合式教學(xué)方法，構(gòu)建基于BOPPPS教學(xué)模式的閉環(huán)實(shí)踐教學(xué)流程，突出以學(xué)生為中心，強(qiáng)調(diào)學(xué)生...
以“四維”能力導(dǎo)向的應(yīng)用型本科院校大學(xué)物理及實(shí)驗(yàn)課教學(xué)模式的創(chuàng)新與實(shí)踐 摘要本文針對(duì)培養(yǎng)“應(yīng)用型人才”的教學(xué)目標(biāo)，本文提出了以“四維”能力為導(dǎo)向的大學(xué)物理及實(shí)驗(yàn)課程改革的思路，構(gòu)建了“四位一體”循序漸進(jìn)的課程體系，實(shí)行分層次、分級(jí)的教學(xué)模式，對(duì)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行模塊化、分層次重構(gòu)，采用“問(wèn)題+研究性”教學(xué)方式，為...
材料類專業(yè)大學(xué)物理教學(xué)創(chuàng)新設(shè)計(jì)體系構(gòu)建 摘要大學(xué)物理作為材料類專業(yè)學(xué)生的重要基礎(chǔ)課程，在整個(gè)本科階段的培養(yǎng)方案中起承上啟下的作用。目前關(guān)于線上線下結(jié)合方式開(kāi)展材料類專業(yè)大學(xué)物理課程建設(shè)方面的研究還鮮有報(bào)道，本文通過(guò)多年的教學(xué)實(shí)踐，總結(jié)了針對(duì)材料類專業(yè)大學(xué)物理課程教學(xué)改革的教學(xué)...
計(jì)算模擬在“近代物理實(shí)驗(yàn)”教學(xué)中的應(yīng)用 摘要 “近代物理實(shí)驗(yàn)”是物理類專業(yè)的一門(mén)必修課程，結(jié)合近代物理實(shí)驗(yàn)課程的特點(diǎn)以及培養(yǎng)目標(biāo)，將前沿的科學(xué)研究思想和方法引入到教學(xué)實(shí)踐是實(shí)驗(yàn)課程改革的重要方向之一。本文介紹了我校在近代物理實(shí)驗(yàn)中開(kāi)設(shè)計(jì)算模擬實(shí)驗(yàn)，以常規(guī)光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容為基礎(chǔ)設(shè)...
問(wèn)題驅(qū)動(dòng)的類比法、互動(dòng)型、研究性教學(xué)模式 摘要充分考慮一流課程應(yīng)具備的高階性、創(chuàng)新性和挑戰(zhàn)度的特點(diǎn)與要求，作者以北京航空航天大學(xué)（北航）電磁學(xué)課程建設(shè)為例，經(jīng)過(guò)近四年在應(yīng)用物理專業(yè)強(qiáng)基計(jì)劃、物理學(xué)專業(yè)拔尖計(jì)劃學(xué)生的教學(xué)實(shí)踐中，提出并實(shí)施了問(wèn)題驅(qū)動(dòng)的類比法、互動(dòng)型、研究性的教學(xué)模...
新工科背景下基于大學(xué)物理數(shù)值仿真的創(chuàng)新型人才培養(yǎng) 摘要本文通過(guò)在大學(xué)物理教學(xué)中引入基于數(shù)值仿真的科學(xué)研究方法，創(chuàng)新大學(xué)物理教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)模式，以深化學(xué)生對(duì)物理基本概念的理解，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新思維。在教學(xué)過(guò)程中，結(jié)合大學(xué)物理典型知識(shí)點(diǎn)設(shè)計(jì)數(shù)值仿真研究案例，并通過(guò)實(shí)踐教學(xué)的方式，引...
互動(dòng)合作教學(xué)在大班理科課程中的有效性檢驗(yàn) 摘要基于大班教學(xué)存在的問(wèn)題，很多學(xué)者提出了不同的解決方案，但鮮有互動(dòng)合作教學(xué)在大班理科課程中的對(duì)比實(shí)證研究。通過(guò)在兩個(gè)大學(xué)物理課程中人數(shù)較多的班級(jí)進(jìn)行對(duì)比教學(xué)實(shí)踐，檢驗(yàn)其有效性?；?dòng)合作教學(xué)班將學(xué)生分成多個(gè)小組，有利于進(jìn)行小組討論和合作...
對(duì)分課堂教學(xué)模式的優(yōu)勢(shì)與局限性 摘要本文以光的干涉和衍射為例，具體闡述了對(duì)分課堂的教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)過(guò)程、教學(xué)評(píng)價(jià)等方面，并探討了對(duì)分課堂的優(yōu)勢(shì)和局限性。本文的創(chuàng)新點(diǎn)在于：（1）將對(duì)分課堂教學(xué)模式應(yīng)用于光的干涉和衍射這一具有較強(qiáng)抽象性和難度性的物理內(nèi)容中，探索了一種有效的...
ETA 物理教學(xué)法在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用 摘要 ETA 物理認(rèn)知模型是關(guān)于物理認(rèn)知規(guī)律的研究總結(jié)。根據(jù)ETA 物理認(rèn)知模型，完整的物理認(rèn)知由實(shí)驗(yàn)物理（Experimental Physics）認(rèn)知、理論物理（Theoretical Physics）認(rèn)知和應(yīng)用物理（Applying...

一維諧振子薛定諤方程含時(shí)演化非級(jí)數(shù)解析解 摘要 1926年薛定諤找到了一個(gè)一維諧振子薛定諤方程含時(shí)演化解析解。這個(gè)解并不是能量本征態(tài)波函數(shù)級(jí)數(shù)求和形式。這可以讓我們從新的角度理解量子系統(tǒng)的隨時(shí)間演化行為。本文主要對(duì)該含時(shí)演化解析解進(jìn)行了分析，給出了兩種推導(dǎo)方法，然后繼續(xù)推廣得到了...
量子力學(xué)狄拉克符號(hào)量綱問(wèn)題 摘要在量子力學(xué)中波函數(shù)和狄拉克符號(hào)教學(xué)中，很少思考到波函數(shù)的量綱問(wèn)題，而狄拉克引入的左矢和右矢是描述量子態(tài)的強(qiáng)大工具。然而，關(guān)于狄拉克符號(hào)是否具有量綱的問(wèn)題似乎很少被討論，似乎大家理所應(yīng)當(dāng)?shù)卣J(rèn)為狄拉克符號(hào)只是一個(gè)沒(méi)有量綱的數(shù)學(xué)符號(hào)而已。...
超導(dǎo)量子計(jì)算約瑟夫森參量放大器的基本工作原理 摘要約瑟夫森參量放大器是超導(dǎo)量子計(jì)算實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵，本文介紹其基本物理原理并對(duì)約瑟夫森參量放大器的器件物理特征、實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)、發(fā)展變形作一詳細(xì)的討論，基于實(shí)際的實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，給出一套行之有效的約瑟夫森參量放大器最佳工作點(diǎn)的確定方法。本文有助于對(duì)超導(dǎo)...

引力誘導(dǎo)自發(fā)輻射機(jī)制簡(jiǎn)介 摘要引力誘導(dǎo)自發(fā)輻射機(jī)制將黑洞看作一個(gè)多能級(jí)多簡(jiǎn)并量子系統(tǒng)，因此其輻射蒸發(fā)過(guò)程的中間態(tài)是各種不同質(zhì)量比黑洞輻射產(chǎn)物直積態(tài)的疊加。由于被作為經(jīng)典對(duì)象看待的黑洞與輻射產(chǎn)物是對(duì)這種疊加態(tài)部分指標(biāo)求跡的結(jié)果，所以它們之間的糾纏熵在整個(gè)輻射過(guò)程中...
熱電器件性能的生態(tài)優(yōu)化研究 摘要基于熱電效應(yīng)制造的熱電器件在熱能與電能之間的轉(zhuǎn)換方面具有特殊優(yōu)勢(shì)，而對(duì)熱電器件的性能優(yōu)化更具有現(xiàn)實(shí)意義。基于有限時(shí)間熱力學(xué)理論，本文利用生態(tài)判據(jù)研究了熱電熱機(jī)和制冷機(jī)的熱力學(xué)特征，在構(gòu)建生態(tài)判據(jù)函數(shù)的基礎(chǔ)上，推導(dǎo)出了熱電器件的效率和...

俘獲效應(yīng)對(duì)繆子壽命測(cè)量的影響 摘要繆子是粒子物理標(biāo)準(zhǔn)模型中的基本粒子，對(duì)其研究不僅涉及基礎(chǔ)物理的前沿，還包括相關(guān)技術(shù)在工業(yè)民生領(lǐng)域的應(yīng)用。對(duì)繆子壽命的測(cè)量涉及時(shí)間膨脹、費(fèi)米耦合常數(shù)和原子核俘獲等眾多近代物理知識(shí)點(diǎn)，在大學(xué)本科物理課程中開(kāi)設(shè)相關(guān)教學(xué)實(shí)驗(yàn)具有重要意義。通...
天文源跟蹤和數(shù)據(jù)文件生成 摘要本文是專題“面向天文、物理和多個(gè)工科專業(yè)的射電望遠(yuǎn)鏡實(shí)驗(yàn)平臺(tái)”上篇，內(nèi)容包括望遠(yuǎn)鏡基本參數(shù)和實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，以及天文源跟蹤、數(shù)據(jù)文件生成兩個(gè)實(shí)現(xiàn)望遠(yuǎn)鏡天文觀測(cè)功能的選做實(shí)驗(yàn)。太陽(yáng)是距離我們最近的較強(qiáng)天文射電源，本文基于實(shí)例介紹了太陽(yáng)射電流...
RLC 電路中的電容電壓過(guò)充現(xiàn)象研究 摘要 RLC 電路是大學(xué)物理及電路分析等課程中的重要內(nèi)容之一，更是電子儀器及通信設(shè)備中的基本單元。當(dāng)RLC 電路處于工作狀態(tài)時(shí)，電容兩端電壓會(huì)出現(xiàn)超過(guò)電源電壓的過(guò)充現(xiàn)象。然而，現(xiàn)有的教科書(shū)中對(duì)此現(xiàn)象缺少必要的原理闡釋。實(shí)際上，過(guò)充現(xiàn)象蘊(yùn)含...
利用瑞利數(shù)理論研究貝納德對(duì)流的產(chǎn)生條件 摘要貝納德對(duì)流是在從下方加熱的流體的平面水平層中發(fā)生的一種自然對(duì)流現(xiàn)象。研究此現(xiàn)象對(duì)于深刻認(rèn)識(shí)耗散結(jié)構(gòu)的物理圖像以及流體在混沌系統(tǒng)中的運(yùn)動(dòng)具有重要意義。為研究其產(chǎn)生的條件以及物理特性，本文建立流體模型，從基本控制方程組出發(fā)，導(dǎo)出在固定邊...
新型磁懸浮實(shí)驗(yàn)裝置研究 摘要根據(jù)電磁學(xué)的基本原理，永磁體或載流線圈在外磁場(chǎng)中會(huì)受到磁力的作用，當(dāng)磁力完全克服重力時(shí)便達(dá)到磁懸浮狀態(tài)?；诖艖腋〉幕驹?，本文設(shè)計(jì)制作了一種新型的磁懸浮實(shí)驗(yàn)教學(xué)裝置，利用一套裝置有機(jī)地將磁場(chǎng)、電流與力結(jié)合起來(lái)，實(shí)現(xiàn)了直流和交流...
典型分形結(jié)構(gòu)光柵的Fraunhofer衍射數(shù)值模擬 摘要本文旨在研究Cantor條幅、Cantor地毯、Sierpinski墊片三種自相似分形結(jié)構(gòu)的Fraunhofer衍射場(chǎng)在屏上的光強(qiáng)分布以及自相似分形結(jié)構(gòu)的幾何規(guī)律. 通過(guò)復(fù)數(shù)積分法和位移相移定理，得到了屏幕上不同位置相對(duì)光強(qiáng)的數(shù)學(xué)表...
基于自燃對(duì)流與三維平板大攻角繞流模型的紙螺旋動(dòng)力扭矩研究 摘要本文以蠟燭自燃空氣對(duì)流與平板大攻角繞流為理論基礎(chǔ)，對(duì)2022年青年物理學(xué)家錦標(biāo)賽（IYPT2022）設(shè)計(jì)題 “蠟燭動(dòng)力渦旋機(jī)”（Candle Powered Turbine）針對(duì)性地開(kāi)展了理論分析、實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值模擬分析。本文根據(jù)蠟...
織物衍射特性的研究 摘要本文研究了三種典型結(jié)構(gòu)的絲襪在不同外力作用下的顯微結(jié)構(gòu)和衍射圖案，希望為光子晶體結(jié)構(gòu)色織物的研究提供參考?；趯?shí)驗(yàn)結(jié)果建立了三種復(fù)雜結(jié)構(gòu)模型，本文從理論上推出其衍射光強(qiáng)表達(dá)式，并利用軟件編程仿真了衍射圖案。研究發(fā)現(xiàn)：（1）包芯絲短襪...

曲面軌道摩擦力做功問(wèn)題的討論 摘要摩擦力做功問(wèn)題是大學(xué)、中學(xué)物理教學(xué)中常見(jiàn)的問(wèn)題，也是物理教學(xué)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。本文推導(dǎo)了物體在任意粗糙曲面軌道上運(yùn)動(dòng)的摩擦力做功表達(dá)式，并以四分之一圓弧軌道和拋物線型軌道為例，借助MATLAB軟件數(shù)值計(jì)算，結(jié)合圖像分析物體下滑過(guò)程中速率...
基于STEM 理念“小中大”融合式科學(xué)工程教育研究 摘要工程教育是培養(yǎng)國(guó)家后備科技人才的核心戰(zhàn)略支柱，已成為教育界密切關(guān)注的需求熱點(diǎn)。當(dāng)前國(guó)家已在高等教育階段以工程認(rèn)證的形式構(gòu)建工程類專業(yè)教育框架，但由于機(jī)械化應(yīng)試教育的短視性，僅在高等教育階段短期實(shí)現(xiàn)工程師的培育缺乏合理性。近年，STE...
ETA 物理認(rèn)知模型下的大中銜接研究 摘要本文基于ETA 物理認(rèn)知模型，對(duì)物理教學(xué)中大中銜接問(wèn)題進(jìn)行探索研究，從早期學(xué)生認(rèn)知中可能隱含的問(wèn)題入手，分析高中課程內(nèi)圓周運(yùn)動(dòng)向心加速度的例子，逐步過(guò)渡到天體橢圓運(yùn)動(dòng)的情形。本文主要從建立公理認(rèn)知角度，對(duì)極坐標(biāo)參考系的速度、加速度進(jìn)...
一種新的精確方法求單擺的周期 摘要本文以單擺為例，使用高斯AGM 函數(shù)和級(jí)數(shù)展開(kāi)方法分別近似求解單擺周期，并和理論值進(jìn)行了對(duì)比。本文最后對(duì)一道有關(guān)純滾動(dòng)的球在圓軌道內(nèi)周期問(wèn)題作了巧妙求解。關(guān)鍵詞純滾動(dòng);類簡(jiǎn)諧振動(dòng);周期;高斯AGM 函數(shù);級(jí)數(shù)展開(kāi)...
質(zhì)點(diǎn)在粗糙曲面上的滑動(dòng)問(wèn)題研究 摘要質(zhì)點(diǎn)在光滑半球面上的運(yùn)動(dòng)是高中一個(gè)很好的研究問(wèn)題。在本文中，我們將此問(wèn)題推廣到任意粗糙曲面上，基于牛頓第二定律推導(dǎo)出速度的顯式積分形式，它在某些情況下是有解析表達(dá)式的，并且得到了一個(gè)通用的表達(dá)式來(lái)確定質(zhì)點(diǎn)離開(kāi)曲面的分離角條件。在最后...