基于知识图谱的物理学术竞赛发展分析

国际青年物理学家锦标赛及其本土化后形成的中国大学生物理学术竞赛、中国青年物理学家锦标赛和各地区高校的系列物理学术竞赛在基础物理教学中发挥着越来越重要的作用。本文基于CiteSpace可视化软件,分析了CNKI中文数据库、WOS数据库和Scoups数据库中以PT系列物理学术竞赛为主题的文献,运用计量分析方法和知识图谱技术展示了文献的年代分布、关键词共现图谱、时间线图、突现词图谱和研究机构共现图谱等信息,并结合当前赛事发展探究了知识图谱在追踪赛事发展、物理问题研究与案例分析、基础物理实验教学改革中的应用。

橡皮筋发动机

研究了通过扭转橡皮筋作为驱动力的"发动机"的能量存储与输出.根据观察定义了橡皮筋形变的多阶缠绕,在此基础上建立模型模拟了橡皮筋解旋的能量输出过程.定义了该发动机的各项参量,包括总的旋转时间、有效旋转时间、效率等,探究了能量的分布情况.实验结果表明:橡皮筋发动机的大部分能量转化为螺旋桨的动能和空气动能.

快链条现象的研究

研究了2017年IYPT和CUPT赛题中快链条问题.通过建立简化的物理模型,结合动力学过程从理论上解释了快链条现象出现的原因及相关影响参量对下落速度的影响.仿真计算结果表明:快链条中每根杆和水平方向的夹角越大,下落的时间越短;初始释放高度越高,张力做功导致的速度增量越大,快链条较自由落体下落更快;链长越长,下落速度较自由落体越大.制作了具有不同链长、不同夹角的快链条,实验分别研究了水平方向的夹角、初始释放高度和链长对快链条下落速度的影响,实验结果和理论分析基本一致.

从简单模型入手探究陀螺仪在磁场中的减速问题

2019年中国大学生物理学术竞赛中,非铁磁性导体材料制的陀螺仪在磁场中减速问题的研究没有限定任何具体参数,不易根据麦克斯韦方程得到全面统一的答案.本文从无限长导体圆柱模型入手,通过合理的近似,推导得到了陀螺仪转轴与磁场方向垂直和平行两种条件下,电磁阻力矩与磁感应强度、角速度、电导率等参数依赖关系的表达式,进而给出了磁场方向相对陀螺仪转轴任意取向时陀螺仪减速阻尼系数满足的一般关系,并通过量纲分析验证了公式的合理性.实验部分设计引入直流电动机提供驱动转矩,分析测量数据可以证明,基于基本模型得到的电磁阻力矩公式可以较为准确的描述实际的陀螺仪减速过程.