“大学物理”课程开展在线教学的实践与思考

随着教育信息化2.0时代的到来,高等教育面临前所未有的机遇和挑战,文章介绍了“大学物理”课程开展在线教学的教学实践,以及实践后的教学思考。在线教学相比传统课堂教学,打破了空间和时间的局限,让学习的地点和时间更加自由。在线教学平台对学生学习情况的记录更加全面,这有利于对学生学习数据进行更深层次的挖掘和分析。但在线教学相比课堂教学也存在着一些不足,如师生之间、生生之间缺乏面对面交流的实感,因此用在线教学完全替代课堂教学并不现实。所以,在线教学和课堂教学还是应当相辅相成,各展所长,从而充分实现优势互补。

插值公式、相关系数和采样间隔对GRACE Follow-On星间加速度精度的影响

本文基于星间加速度法开展了插值公式、相关系数和采样间隔对GRACE Follow-On星间加速度精度影响的研究.模拟结果表明:1)适当增加数值微分公式的插值点数可有效提高插值精度.基于9点Newton插值公式,星间加速度的插值误差为4.401×10-13 m.s-2,分别基于7点、5点和3点插值公式,插值误差增加了1.192倍、6.912倍和274.029倍.2)适当增大相关系数可有效降低星间加速度的误差.基于相关系数0.99,星间加速度方差为3.777×10-24 m2.s-4,分别基于相关系数0.90、0.70、0.50和0.00,方差增加了9.780倍、22.404倍、26.217倍和26.820倍.3)随着采样间隔增大,星间加速度方差逐渐降低,但卫星观测值的空间分辨率也同时降低,因此合理选取采样间隔有利于地球重力场精度的提高.4)基于9点Newton插值公式、相关系数(K波段测量系统星间距离和星间速度0.85、GPS轨道位置和轨道速度0.95、星载加速度计非保守力0.90)和采样间隔10s,利用预处理共轭梯度迭代法,精确和快速反演了120阶GRACE Follow-On地球重力场,在120阶处累计大地水准面精度为4.602×10-4 m.

卫星跟踪卫星测量模式中关键载荷精度指标不同匹配关系论证

本文基于改进的能量守恒法,对GRACE星载K波段星间测量系统、GPS接收机和SuperSTAR加速度计精度指标的不同匹配关系进行了系统论证。模拟结果表明:第一,各关键载荷精度指标呈线性匹配关系;第二,由于耗散能表现为累积变化特性,加速度计误差对恢复重力场的贡献不同于其它载荷;第三,以K波段星间测速精度指标1～10μm/s为标准并结合其它载荷匹配指标,在120阶处大地水准面累积误差为17.6～174.8cm,1.5°×1.5°重力异常累积误差为0.3～2.8mGal,其中K波段星间测速精度指标取1μm/s时,结果与德国地学研究中心(GFZ)公布的EIGEN-GRACE02S地球重力场模型符合较好;第四,建议我国将来采用的卫星跟踪卫星测量模式中关键载荷精度指标设计为星间测速1～3μm/s、轨道位置3～10cm、轨道速度0.03～0.10mm/s和非保守力0.3～1.0nm/s2较优。本文的研究为将来GRAIL月球重力探测计划和太阳系其它行星探测计划(如火星)中全球重力场的精确和快速测量提供了理论基础和计算保证。

材料物理专业课教学方法的探讨与实践

本文围绕材料物理专业培养目标和素质教育这一教学目的,从教学实践中总结了几点专业课教学方法:"点-线-面-体"立体化教学法,激发立体思维,提高"三率";疑促进思,思激发学,激发无穷想象空间和钻研余地;老师和学生共同参与科研,达到"双赢"的效果;通过自主设计实验,检验专业课学习程度,激发自主创新意识;考核方式创新,提高综合潜力。

纳米科技中的艺术审美

纳米材料的很多种形貌具有艺术性和很强的欣赏价值。该文从激发学生的研究兴趣为出发点,从纳米结构独特的意境之美、对称和象形之美以及与性能的密切联系等角度,总结了纳米结构的艺术性特点,提出了寓教于美,快乐学习,快乐科研的理念。

液体束光电子能谱测量水溶液相胸苷光电子谱:综合实验误差分析

水溶液中的光电子发射过程易受到由弹性及非弹性电子散射、流动势和空间电荷效应引起的误差和影响,然而,直接评估这些误差中各自贡献的大小仍是一项艰巨的挑战。本文以综合实验误差的形式评估了这些误差如何影响真实的光电子动能谱,利用飞秒液体束光电子能谱技术研究不同水溶液流速和激光能量下水溶液相胸苷的紫外光电子动能(或电子结合能)谱.实验中,利用液态水的1b_(1)轨道的精确的竖直电子结合能值(11.33eV)实现对观测到的水溶液相胸苷的电子结合能谱的校准,并估算出液态水的1b_(1)轨道的精确的竖直电子结合能的综合实验误差约为200meV.在不同的流速和激光能量条件下,水溶液相胸苷阳离子基态D_(0)(π^(-1))和阳离子第一激发态D_(1)(n^(-1))的竖直电子结合能的平均综合实验误差被估计为小于3%,即误差范围在几十毫电子伏特至200meV之间.

物理人眼中的《千里江山图》--探索物理教学的跨学科融合

故宫博物院馆藏的北宋名画《千里江山图》通过央视《国家宝藏》栏目为普通观众所熟知.该画作被视为青绿山水画中的巨制杰构,虽历经近千年依然璀璨如初,秘密就在于其颜料全部由宝石矿物制成.本文根据物理化学原理将这些颜料的呈色机理一一揭示.这种跨界思考不仅能激发学生的学习兴趣,更能实现现代科技教育与传统文化的完美融合.

利用解析法有效快速估计将来GRACE Follow-On地球重力场的精度

本文首次利用解析法有效快速估计了将来GRACE(Gravity Recovely and Climate Experiment)Follow-On地球重力场的精度.第一,基于功率谱原理分别建立了新的GRACE Follow-On卫星激光干涉星间测量系统星间速度、GPS接收机轨道位置和轨道速度以及加速度计非保守力误差影响累计大地水准面的单独和联合解析误差模型.第二,利用提出的GRACE卫星关键载荷匹配精度指标和美国喷气推进实验室(JPL)公布的GRACE Level1B实测精度指标的一致性,以及估计的GRACE累计大地水准面精度和德国波兹坦地学研究中心(GFZ)公布的EIGEN-GRACE02S地球重力场模型实测精度的符合性,验证了本文建立的解析误差模型是可靠的.第三,论证了GRACE Follow-On卫星不同关键载荷匹配精度指标和轨道高度对地球重力场精度的影响.在360阶处,利用轨道高度250 km、星间距离50 km、星间速度误差1×10^(-9)m/s、轨道位置误差3×10^(-5)m、轨道速度误差3×10^(-8)m/s和非保守力误差3×10^(-13)m/s^2,基于联合解析误差模型估计累计大地水准面的精度为1.231×10^(-1)m.本文的研究不仅为当前GRACE和将来GRACE Follow-On地球重力场精度的有效快速确定提供了理论基础和计算保证,同时对国际将来GRAIL(Gravity Recovery and Interior Laboratory)月球卫星重力测量计划的成功实施具有重要的参考意义.

GRACE卫星关键载荷实测数据的有效处理和地球重力场的精确解算

首先对美国喷气推进实验室(JPL)公布的2007-06-01～2007-12-31时间段内的GRACE Level 1B卫星GPS轨道位置和速度、K波段系统星间速度、加速度计非保守力以及恒星敏感器姿态实测数据对应进行了轨道拼接、粗差探测、线性内捅、重新标定、坐标转换、误差分析等有效处理;其次,基于改进的能量守恒法恢复了120阶GRACE地球重力场,在1 20阶处累计大地水准面精度为25.313 cm;最后,检验了本文地球重力场模型IGG-GRACE的可靠性,同时分析了IGG GRACE解算精度在低频部分略优于德国波兹坦地学研究中心(GFZ)公布的EIGEN-GRACE02S地球重力场模型,而在中高频部分略低的原因.

基于半解析法有效和快速估计GRACE全球重力场的精度

首先基于半解析法建立了新的GRACE卫星K波段测量系统星间测速、GPS接收机轨道位置和加速度计非保守力误差联合影响累计大地水准面的误差模型;其次,基于各关键载荷精度指标的匹配关系,论证了误差模型的可靠性;最后,基于美国喷气动力实验室(JPL)公布的2006年的GRACE Level 1B实测误差数据,有效和快速地估计了120阶全球重力场的精度,在120阶处累计大地水准面的精度为18.368 cm,其结果和德国地学研究中心(GFZ)公布的EIGEN-GRACE02S全球重力场模型符合较好.本文的研究为将来国际卫星重力测量计划(如GRACE Follow-On,360阶)中高阶全球重力场模型精度的有效和快速估计提供了理论基础和计算保证.

GRACE星体和SuperSTAR加速度计的质心调整精度对地球重力场精度的影响

本文利用改进的能量守恒法开展了GRACE星体和星载加速度计检验质量的不同质心调整精度影响地球重力场精度的模拟研究论证.结果表明:第一,在120阶处,当质心调整精度设计为0 m,恢复累计大地水准面精度为17.616 cm;当质心调整精度分别设计为5×10^(-5)m、1×10^(-4)m和5×10^(-4)m时,恢复精度各自降低至18.106 cm、19.033 cm和27.329 cm.第二,以德国GFZ公布的EIGEN-GRACE02S地球重力场模型的实测累计大地水准面精度为标准,当质心调整精度设计为(5～10)×10^(-5)m时,其和K波段星间测量系统、GPS接收机、SuperSTAR加速度计、恒星敏感器等GRACE核心载荷的精度指标相匹配,对地球重力场恢复精度的影响较小.因此建议我国将来研制的首颗重力卫星的星体和星载加速度计检验质量的质心调整精度设计为(5～10)×10^(-5)m较优.

卫星跟踪卫星测量模式中星载加速度计高低灵敏轴分辨率指标优化设计论证

本文利用改进的能量守恒法开展了GRACE星载加速度计与K波段星间测速仪及GPS接收机精度指标之间的匹配模拟论证.结果表明:(1)采用GRACE公布的其他载荷精度指标,当加速度计分辨率指标设计为ACC_X=(1～10)×10^(-9)m/S^2,ACC_(Y,Z)=(1～10)×10^(-10)m/S^2时,在120阶处恢复累计大地水准面的精度为19～80cm,恢复1.5°×1.5°累计重力异常的精度为0.3～1.3 mGal;(2)建议我国将来卫星重力测量计划中星载加速度计三轴分辨率指标设计为ACC_X=(1～5)×10^(-9)m/S^2,ACC_(Y,Z)=(1～5)×10^(-10)m/S^2较合适,与GRACE其他载荷精度指标基本匹配.

卫-卫跟踪测量模式中轨道高度的优化选取

利用改进的能量守恒法基于不同轨道高度恢复了120阶GRACE地球重力场。模拟结果表明：1）卫星轨道高度每降低100 km,大气阻力提高约10倍,不稳定的卫星平台工作环境将影响GRACE核心载荷的测量精度;2）地球重力场高频信号衰减较快,基于500 km轨道高度,在20阶处重力场衰减因子为0.221,衰减效应分别在50阶、80阶、100阶和120阶处增大了9.621倍、92.857倍、418.957倍和1 895.369倍;3）降低轨道高度有利于提高重力场恢复精度,采用美国JPL公布的GRACE其他指标,在120阶处基于500 km轨道高度恢复累计大地水准面精度为17.316 cm,分别基于450 km、400 km和350 km轨道高度恢复精度提高了1.566倍、4.502倍和10.871倍;4）如果卫-卫跟踪测量模式中轨道高度设计为350～400 km有利于120阶地球重力场的恢复。

月球探测计划研究进展

详细介绍了国内外已实施的苏联"月球号"和"探测器号",美国"先驱者号"、"徘徊者号"、"勘测者号"、"月球轨道器号"、"阿波罗号"、"克莱门汀号"、"月球勘探者号"和"月球勘测轨道飞行器号",日本"飞天号"和"月亮女神1号",欧洲"智能1号",中国"嫦娥一、二号",印度"月船1号"等探测工具和未来实施的探月计划.详细介绍了美国GRAIL月球重力双星计划的总体概述、关键载荷和科学目标.具体阐述了我国下一代月球卫星重力梯度测量工程的实施建议和重要意义.认为我国下一代月球卫星重力梯度测量工程的成功实施将逐渐打破"太空战"的威胁,使世界和平得到有力维护.

地球重力场模型研究进展和现状

首先回顾自1966年以来国内外基于传统重力测量技术建立的地球重力场模型。其次,介绍国际基于CHAMP实测数据建立的全球重力场模型。在重力场长波部分,EIGEN-CHAMP03S和EIGEN-3P模型符合较好;在中长波部分,EIGEN-1S、EIGEN-2、EIGEN-3P和EIGEN-CHAMP03S模型的符合性趋于一致。最后,介绍国内外已公布的GRACE卫星重力模型。由于GGM02S和WHIGG-GEGM01S模型采用的卫星观测值数量近似相等,因此二者精度符合较好;由于采用CHAMP、GRACE、卫星测高和地面重力的联合观测数据,EIGEN-CG01C、EIGEN-CG03C、EIGEN-GL04S1和EIGEN-5C模型精度均分别高于EIGEN-GRACE01S、EIGEN-GRACE02S、GGM01S、GGM02S、WHIGG-GEGM01S等GRACE-only模型。

基于时空域混合法利用Kaula正则化精确和快速解算GOCE地球重力场

为了研究卫星重力梯度技术对中高频地球重力场反演精度的影响,本文基于时空域混合法,利用Kaula正则化反演了250阶GOCE地球重力场.模拟结果表明:第一,时空域混合法是精确和快速求解高阶地球重力场的有效方法;第二,Kaula正则化是降低正规阵病态性的重要方法;第三,基于改进的预处理共轭梯度迭代法可快速求解大型线性方程组,计算速度较直接最小二乘法至少提高1000倍;第四,基于卫星轨道误差1 cm和卫星重力梯度误差3×10^(-12)/s^2,在250阶处反演累计大地水准面和重力异常的精度分别为9.295 cm和0.204 mGal.第五,论证了基于国际GRACE和GOCE卫星计划反演高精度和高空间分辨率地球重力场的互补性.

两种GRACE地球重力场精度评定方法的检验

基于改进的能量守恒法,分别利用先验地球重力场模型法(PEM)和最小二乘协方差阵法(LSM)评定了120阶GRACE地球重力场的精度,模拟结果表明:1)基于美国JPL公布的GRACE轨道参数和核心载荷精度指标,在120阶处分别采用PEM和LSM恢复地球引力位系数的精度为5.192×10-10和6.633×10-10;2)分别基于PEM和LSM恢复120阶地球引力位系数的模拟精度和德国GFZ公布的EIGEN-GRACE02S地球重力场模型的实测精度在各阶处符合较好,从而证明了基于PEM和LSM评定地球重力场恢复精度的有效性;3)通过基于PEM和LSM分别恢复地球引力位系数的模拟精度在各阶处的符合性,验证了基于能量守恒法结合预处理共轭梯度迭代法恢复120阶GRACE地球重力场算法的可靠性。

国际下一代卫星重力测量计划研究进展

介绍下一代美国GRACE Follow-On和欧洲E.MOTION(Earth System Mass Transport Mission)卫星重力测量计划的研究进展,以期为我国下一代Post-GRACE卫星重力测量工程的成功实施提供参考依据。详细阐述了我国下一代Post-GRACE卫星重力测量工程的研究意义和科学目标,建议我国先期构建卫星精密定轨和卫星重力反演仿真模拟软件平台系统,开展重力卫星关键载荷误差分析研究,以及执行卫星重力测量任务需求。

Improved-GRACE卫星重力轨道参数优化研究

基于改进的半解析法,利用激光干涉系统星间速度误差、GPS接收机轨道位置误差和轨道速度误差以及加速度计非保守力误差影响累计大地水准面的联合误差模型,开展了我国Improved-GRACE卫星重力测量计划轨道参数的优化选取论证。模拟结果表明:1)在300阶处,基于350km轨道高度估计累计大地水准面的精度为3.993×10-1m,基于300km和250km轨道高度估计精度分别提高了8.770倍和77.145倍,基于400km和450km轨道高度估计精度分别降低了8.718倍和75.307倍;2)基于50km星间距离估计累计大地水准面的精度为3.993×10-1m,基于110km和220km星间距离估计精度分别降低了1.259倍和1.395倍;3)我国将来首颗Improved-GRACE重力卫星的平均轨道高度和平均星间距离设计为350km与50km较优。

基于激光干涉星间测距原理的下一代月球卫星重力测量计划需求论证

月球卫星重力测量是21世纪国际开展深空探测的发展趋势和追逐热点。月球重力场的精密测量是国际探月计划的重要组成部分,它决定着月球探测器的轨道优化设计和载人登月飞船月面理想着陆点的合适选取。本文首先介绍未来国际GRAIL(Gravity Recovery and Interior Laboratory)月球重力场探测双星计划的总体概述、关键载荷以及科学目标和研究方向。其次,重点阐述月球卫星观测模式可行性论证、月球卫星关键载荷的优化选取、卫星轨道参数的优化设计、仿真模拟研究的先期开展等我国将来月球卫星重力测量计划的实施建议。第一,由于高低/低低卫星跟踪卫星结合多普勒和甚长基线干涉系统观测模式(SST-HL/LL-Doppler-VLBI)对中长波月球重力场的探测精度较高,技术要求相对较低,月球重力场测定速度快、代价低和效益高,可借鉴地球重力卫星GRACE(Gravity Recovery and Climate Experiment)系统的成功经验,对定轨精度的要求较低,而且可有效探测远月面区域的月球重力场信号,因此我国将来首期月球卫星重力测量计划采用SST-HL/LL-Doppler-VLBI观测模式较优。第二,我国应先期开展高精度的月球重力卫星关键载荷(激光干涉星间测距仪、非保守力补偿系统等)和地面Doppler-VLBI系统的研制工作。第三,月球卫星轨道高度(50～100 km)和星间距离(100±50 km)的优化设计是成功实施将来我国月球卫星重力测量计划的重要保证。第四,建议我国将仿真技术应用于月球重力卫星的方案论证、系统设计、部件研制、产品检验、实际应用、故障分析等研制和运行的全过程。本文的研究不仅对我国将来首期月球卫星重力测量计划的成功实施具有重要的参考价值,同时对未来国际太阳系行星重力探测的发展方向具有广泛的指导意义。