撒克逊碗的下沉临界条件与沉没时间

“撒克逊碗”是一种底部有孔的计时装置。本文以圆柱形撒克逊碗为例,建立了其在水中下沉的物理模型。首先,本文确定了撒克逊碗顺利下沉的临界条件,包括水能涌入碗的条件和碗初释放时出现倒灌现象的条件。然后,本文研究了水涌入碗后系统的动力学过程,推导出碗的下沉时间与碗的几何特征间的定量关系。进一步,本文设计了实验以检验理论模型的正确性。与实验得到的碗下沉时间相比,相应的理论值普遍偏小。将碗下沉过程中受到的黏滞阻力和压差阻力、孔口处淹没射流及水头损失、碗完全浸没前受表面张力的影响考虑在内后,理论和实验的一致性明显增加。最后,本文还引入了壁面函数用于分析形状各异的撒克逊碗的下沉时间。

小孔成像的清晰度分析及其在单透镜望远镜中的应用

根据小孔成像的本质定义了小孔成像过程的清晰度和分辨率,同时进行了定量研究及数值模拟,得到小孔半径越小,成像清晰度及分辨率越高;小孔放大率越大,成像清晰度越高的结论.接着对由透镜做物镜和小孔做目镜组成的单透镜望远镜系统进行了成像原理分析,对相关参数如何影响像高及角放大率进行了理论分析.

用匀速圆周运动的分运动导出简谐运动的严格解

在高中物理教学中,简谐振动是振动与波部分重要的知识内容。例如弹簧一端连接的物体被拉离平衡位置后将会做简谐震动,这是力学中经典的弹簧振子模型。但是由于高中阶段数学工具的局限,我们无法直接求解弹簧振子的二阶常微分运动方程。通过分析圆周运动在某一方向的分运动,证明了该运动满足和弹簧振子相同的动力学方程,进而直接利用圆周运动合成与分解得到了弹簧振子的运动方程。这一等效替代的思想,定量地阐述了圆周运动和简谐振动的关系,也可以让学生定量地了解简谐振动的运动规律与运动方程。

科里奥利力表达式的一种简单推导方法

构造了一种简单的模型,在圆周运动的基础上通过简单的相对运动分析,从受力平衡的角度导出了该情景下的科里奥利力.该推导过程可以直观地让学生理解惯性系和非惯性系中对物体进行受力分析的不同方式,以及科氏力为何是一种在非惯性系中才存在的＂等效力＂.本文所构建的情景和证明方式可以让学生加深对于非惯性系中存在的物理现象的理解.

盛水玻璃杯共振频率的研究

对圆柱形玻璃杯模式数为2的低阶振动进行了模型建构及定量分析，给出了共振频率的定量表达式，并得到了未盛水的圆柱形玻璃杯的共振频率正比于圆柱的壁厚度、反比于圆柱的横截面积；当加入少量水时候，杯子的发声频率与空杯大体一致；水较满时，发声频率随着空腔体积的增大而线性增大等结论．最后通过定量实验对该理论进行了验证．

一个有趣的热力学问题:硬币何时“翩翩起舞”?

从热力学的角度,本文对2018年国际青年物理学家锦标赛(IYPT2018)的第三个课题"跳舞的硬币(Dancing Coin)"进行了理论分析.该现象与生活密切相关,描述了一个温度非常低的瓶子上一枚硬币所发生的运动,且这样一个热力学系统可作为一个很好的教学案例,让学生对气体的热化、绝热膨胀等相关热力学过程有直观深入的了解.本文的研究得到硬币弹起时间和系统的热力学量的关系,同时发现,硬币"跳舞"的时间间隔与系统与环境的温差呈负相关,即硬币跳舞的时间间隔随着系统被环境加热而越来越长,直至无法跳起.进一步研究表明,瓶内气体的初始温度与环境温差越大,最大弹起次数越大;临界压强与大气压越接近,最大弹起次数越大.本文最后通过实验验证了所给理论模型中的假设及其预言的正确性.

关于平抛运动教学设计的思考与改进

基于人教版高中《物理·必修2》“平抛运动”一节进行创新教学设计,通过在已有的实验基础上利用Tracker软件对平抛运动实验做定量分析,利用Modellus软件现场制作平抛运动动画以及采用探究性课题作为课后作业等方法,以加强学生对于运动的独立性的认知,增强对平抛运动的理解,将知识转化为输出.

一个改进的“光的折射”实验及由其展开的教学设计

本课题的教学设计是在人教版初中物理教材关于光的折射部分内容的基础上，以更容易携带且折射率更大、实验现象更明显的PV塑料板代替教材原实验设计中的水缸来得到光的折射的规律．并且可以由不同浓度蔗糖溶液中光线的弯曲模拟海市蜃楼的实验引出新课，吸引学生兴趣．同时设计了供学生自主实验来探究光的折射的规律及光路可逆的课堂部分，有助于理解记忆、激发兴趣、提升学生的综合素质．

刚性球体在转动环形凹槽内的动力学行为

本文研究了刚性球体在绕竖直轴旋转的圆环形槽中的运动情况,发现球体的自转与公转通过摩擦力相互耦合.理论上,给出了球平衡位置随圆环角速度增加的具体关系,并得到了球在环中具有阻尼振荡特征的动力学行为.实验上,本文通过3D打印搭建了实验装置,结合所提出的一种测量圆弧面与物体摩擦系数的方法,定量验证了理论的若干预言.

沙漏系统超失重现象的时间响应行为

当一沙漏中沙子在流动时,沙漏的视重会随时间变化.本文研究了沙漏中沙子的流动对于整个系统视重变化的影响.本研究按时间分段,建立了视重随沙漏质量M、沙子下落高度h、下落初速度v0、沙子下落时出口半径R0等参数变化的定量理论模型.进一步搭建了一个易于测量的模型沙漏,从实验上对理论结果进行验证.实验观测到了沙漏视重随时间变化曲线的特征位置(峰、谷、平台),与理论值符合较好.

一种居里点发动机的设计及其动力学研究

居里点发动机是基于磁性材料相变制成的能量转化器件。本文设计并搭建了一种转动式的居里点发动机并对其动力学行为进行了研究。在给定外磁场中,当本来处于受力平衡的磁性材料(如镍)被加热至其居里点附近时,材料的磁性变化将导致其获得力矩转动起来。本文首先根据镍在加热情况下的磁性变化,对不同种类的镍盘的运动进行了理论分析。进而利用自主搭建的居里点发动机进行实验,验证了理论的预测。经过对所观测到居里点发动机运动规律的总结,给出了使发动机转动更稳定的优化设计方案。

从能量守恒的角度来理解细胞膜内物质的逃逸行为

基于被细胞膜吞噬的无机颗粒由于热运动而逃逸的问题,利用高中物理所涉及的弹簧弹性势能和机械能守恒的知识分析了这一"逃逸"过程,建立了一个"细胞膜弹性势能模型",并给出了关于细胞内物质逃逸判别标准的公式,定性解释了胞内微粒的逃逸现象以及逃逸难易与微粒形状的关系。该问题的模型建立过程和解决思路,为学生利用能量观念分析跨学科的实际问题提供了教学示例,对培养学生核心素养有着积极的作用。

非惯性系中小球在液体管内运动的研究

讨论了一个做锥形运动的充满液体的管子中球的运动,通过理论研究,在分析了非惯性系中液体压强的基础上,得到了球在沿任意倾角运动的液体管中的运动方程,并重点讨论了系统不转动时、管子竖直放置时和小球密度与液体密度相同时3种特殊情况下小球的运动情况。通过定量实验,利用管子竖直放置时的实验曲线得到修正后的黏滞系数,最后基于此对不同角度放置的管子中球的运动进行了实验验证。

对恒定功率汽车运动过程的分析

在考虑空气阻力的影响下,对汽车以恒定输出功率加速行驶的过程进行了分析,得到了汽车运动的微分方程,且得到其终极速度随着功率的增大而增大,阻力系数的减小而减小的结论,进而对该理论进行了数值模拟和进一步讨论,得到功率越大,质量越小的汽车,百公里加速时间越短,与空气阻力系数无关的结论.

从微观角度再看理想气体的绝热过程

在＂从微观角度看理想气体的绝热过程＂一文中提到了一种从微观角度来计算理想气体绝热公式的推导,这一推导中的物理本质为气体分子对活塞壁做功的集体效应,即气体压强的微观解释.基于这一思考,从气体分子对外做功的角度给出了相应的推导,同时发现该文结论在其给定模型下的一个更为直观的解,与热力学第一定律中的做功项可以更直接地对应,从而更直接地联系起微观过程和宏观的理想气体状态方程.

基于开放性实验问题解决的探究活动的设计与实践

科学教育应使学生具备科学能力以应对未来工作环境.为了帮助他们发展科学能力,本文设计并实施了基于开放性实验问题解决的探究活动,让学生在所创设的真实的、无标准答案的问题情境中进行科学实践,并考察了学生在活动中的能力变化.实践数据分析显示:这种探究活动提高了学生的科学能力,且每种类型的探究活动对学生科学能力的提升各有侧重,在一定程度上解决了当前中学物理实践活动中的问题.为促进开放性实验问题解决与探究活动的深度融合提供了研究和实践的参考依据.

中学生实验问题解决过程中科学能力的表现研究

为了解中学生在实验问题解决过程中科学能力的表现现状,以及学生在接受相应探究活动后科学能力的发展情况,本文利用PAER科学能力评价量规对学生在已开展的基于开放性实验问题解决的探究活动中的表现进行了评价.基于研究数据利用SPSS软件对众多的科学能力要素进行因子分析的结果表明,得到的科学能力主因子与PAER科学能力维度基本一致,验证了测评工具的有效性.通过对学生各科学能力要素的分数均值进行差异性检验得到学生在各类实验活动中科学能力的提升情况;基于Rasch模型得到科学能力要素的3个难度水平分布情况;同时通过相关性分析得到各科学能力要素的相关性情况.最后针对科学能力评价时实验问题的选择与制定、评价的形式及内容等方面提出了建议.

由对日偏食的简单观测估计日月直径

利用搭建的小孔成像装置观测了2019年12月26日在北京上空出现的日偏食现象,并依据观测结果估算出了太阳和月球的直径分别为1.5×10^9 m和3.575×10^6 m.观测结果与真实值的相对误差在5%左右.同时,也从月球与太阳对地球形成的视张角之比的角度分析了在地球上恰好能观测到日环食和日全食两种不同天象的原因.简单计算表明,当日食发生时的地月距离小于L_(月c)=3.746×10^8 m时,能观测到日全食;反之当地月距离大于L月c=3.746×10^8 m,看到的是日环食.