结合定量仿真的虚实结合物理实验教学模式

理论物理、实验物理和计算物理是当前物理学的三大学科分支,在物理实验教学过程中若能将三者有机融合,将能有效提升实验教学的质量。中山大学物理实验教学中心在教学改革中,引入多种科研常用的仿真软件,基于定量仿真,在力学、热学、电磁学、光学等内容分支中构建了若干"实验-仿真-实验"的实验模块,采用虚实结合的教学模式,初步实现了三种方法的融合。让学生从低年级开始就采用科研的工具和方法进行物理实验,有效促进其研究能力和创新能力的培养。

基于通用设备和Multisim的虚实结合电学实验教学模式

实物实验与虚拟仿真实验,特别是基于物理模型的定量仿真实验同步有序进行,是当前提升实验教学效果的有效手段之一。这种教学模式既优化了教学资源,丰富教学方法和手段,又体现了物理学是实验科学的本质。结合基础物理实验教学需要,设计了包含RLC串联电路实验、交流电桥测电容电感实验、混沌电路实验和Multisim电路仿真等教学内容的虚实结合电学实验模块。将实验研究和定量仿真两种研究方法在实验课程中相结合,让学生从低年级就开始采用科研和工程设计的思维方法完成教学实验,能够有效培养其对知识的综合应用能力和创新能力。

以衍射实验为例谈虚实结合实验教学模式

互联网、云计算、大数据等新网络信息技术不断更迭,催生了许多新的教学形态。作为一种新的教学形态,虚拟仿真实验依托虚拟现实、人机交互等信息化技术,在增强学生实践和科研能力、提高人才培养水平方面有着独特的优势。为发挥虚拟仿真实验的优势,我们构建一种结合成熟软件的适用于非物理类本科专业低年级的虚实结合实验教学模式,并以光学衍射实验为例,详细介绍这种模式的教学应用。实践表明,这种基于科学模型的可精确调节参数的定量仿真可有效提升传统实验教学的效率,拓展教学内容的广度和深度,提升实验教学的质量。

运用Matlab辅助大学物理教学,提高教学质量

为了激发学生自主学习的积极性,提高教学质量,将计算机数值方法适当地引入大学物理课堂教学,运用Matlab在解决一些复杂的数学计算、模拟物理过程以及辅助大学物理演示实验等方面进行了探索和实践。实践证明,这种授课方式有助于提高课堂教学效果,促进学生综合能力的提高和创新能力的培养。

基础实验试题B:自组光路测量光栅常量与液体中的声速

介绍了第9届全国大学生物理实验竞赛基础实验试题B的出题思路、实验解析和答题情况.基础实验试题B主要包含3个小题:测量未知透镜的焦距,自组光路测量未知光栅的光栅常量和自组光路测量液体中的声速.试题对大学物理实验相关的内容进行重新设计,逐步递进引导考生完成光学元件基本参量的测量、光路搭建和光学应用3个光学实验经常涉及的核心要素,能够考查考生对光学基础知识的掌握程度、光路设计能力和动手搭建光路的能力.试题的答题情况在一定程度上反映了当前国内光学实验课程的教学效果和存在的短板,为实验教学的进一步提升提供参考.

综合实验试题D:基于迈克耳孙干涉仪的液晶光学和光场相干性实验

介绍了第9届全国大学生物理实验竞赛综合研究性实验试题D的命题设计和实验内容,并给出参考解答以及竞赛结果分析.综合实验试题D基于迈克耳孙干涉仪实验系统,测量液晶双折射率的光学属性和电光调制效应,测量LED光源的相干时间,探究如何改善光场的空间相干性.竞赛结果表明:大部分考生对教学大纲中涉及迈克耳孙干涉仪中的基本实验内容掌握较好,但对常规仪器设备的扩展使用和应用能力尚存在不足,开放性的自主设计和搭建实验光路对培养学生完成既定实验目标的能力仍有待提高.

数字化演示实验助力光学慕课西行——以圆孔衍射实验为例

为了提升光学慕课西行线上同步课堂的教学效果,中山大学光学教学团队运用数字化技术手段,在课堂上通过多镜头线上实时呈现光学演示实验结果,实现了理论与实验相结合,为专业课教学提供数字化教学以及定量分析的功能.以圆孔衍射演示实验为例,从标量衍射理论出发推导圆孔夫琅禾费衍射以及菲涅耳衍射公式,同时测量圆孔衍射的光斑图样随衍射距离的变化.通过对比理论分析与实验结果,将专业课理论数字化呈现,并通过云端实现同步效果,有助于学生理解相关知识点,提升课程的教学效果.

基于近场电磁扫描系统的电磁超透镜实验表征

透镜是光学实验中常见的元件,也是成像系统中必不可少的一环。然而随着集成成像等新型光学成像技术的发展,传统光学透镜因其体积大等劣势难以实现微型化和集成化。近年来,超透镜作为平面光学元件,通过设计亚波长尺寸的单元结构可以实现对光的偏振、振幅、相位等方面的调控,这些独特的光学特性也使超透镜成为了近些年来微纳光学领域的研究热门。为了激发学生对前沿课题的研究兴趣,本文将介绍超透镜的工作原理,并设计了一种会聚型电磁超透镜,通过数值仿真与实验表征验证了超透镜的聚焦性能与反常色散特性,帮助学生更好地理解超透镜,推动教学与科研的结合。

基础实验试题A:线圈耦合效率的研究

介绍了第9届全国大学生物理实验竞赛基础实验试题A的实验内容,给出了参考解答并分析了学生作答情况.基础实验试题A为电磁学题目,试题包含正弦信号典型参量与功率的测量、未知元件的判别、线圈电流的非接触测量、耦合损耗分析与效率优化4个部分.试题在大学物理实验中交流信号基本参量测量的基础上,重点考查学生对示波器等常见电学仪器的使用、常见电学元件特性的掌握、正弦信号与简谐运动的分析和对电磁感应物理图像的理解与综合应用能力.

综合实验试题C:扭摆法测量材料的切变模量和内耗

基于葛氏扭摆测量固体材料内耗的实验原理,设计了第9届全国大学生物理实验竞赛综合实验试题C,从命题背景、实验内容和参考答案的角度给出了本届参赛学生的整体表现分析.试题C的实验内容为:通过扭摆法测扭丝的剪切模量及内耗.试题C以简谐振动作为出发点,描述了摆杆在扭丝回复力矩的作用下绕摆杆中心轴做符合简谐振动规律的衰减运动.试题共包含3部分内容:理解实验原理并搭建正扭摆实验装置,以此实验装置为基础搭建出光杠杆测量光路;推导出简谐振动形式下,摆杆的转动惯量与周期的关系并计算出不规则摆杆的转动惯量,利用计算出的摆杆的转动惯量得出扭丝的剪切模量;计算扭丝在特定转动频率下的内耗.

基于虚拟仿真实验的创新能力培养

以"激光发生控制器虚拟仿真实验"为例,利用Multisim平台,让学生在虚拟平台上设计电路及对电路进行仿真分析.在仿真无误的基础上,可直接在Multisim平台上对电路进行布局布线以用于在万用板上焊接电路.亦可通过常用的电子电路布线软件Protel进行布局布线,并通过热转印方法印刷电路板,再通过常用数学软件Matlab编程对激光图案进行模拟、仿真.通过虚实结合,有效训练了学生创新实验和解决实际问题的能力.

基于CompactDAQ的多通道温度测量实验及COMSOL模拟

本文设计了一个适用于本科教学的虚实结合物理实验。将四个不同阻值的金属膜电阻串联,包裹海绵保温材料。将电阻通电加热,利用NI CompactDAQ机箱和NI C系列热电偶模块设计多通道温度数据采集系统,测量四个电阻侧表面的温度随时间的变化关系。构建电阻加热的物理模型,利用COMSOL多物理场耦合软件的固体传热模块进行定量仿真,模拟结果与实验结果符合得很好。模拟和实验过程中均发现,当从初始温度(室温)开始加热时,经过约两分钟后,温度会趋向于平稳而不再上升,这与单实心圆柱体电阻模型的理论结果趋势相符合。但本文采用金属膜加热模型,更为接近真实电阻。

时域光学干涉层析成像实验系统的研制

设计了时域光学干涉层析成像装置,对平面镜进行了测试,讨论了装置的分辨率;同时对单层透明胶带进行单点轴向扫描,成功探测到胶带的反射界面;最后利用多次测试结果对系统的性能进行了分析.

频域光学干涉层析成像实验系统的研制

在构建了频域光学干涉层析成像(Spectral-domain Optical Coherence Tomography,SD-OCT)理论模型的基础上,着重研究了在实验室条件下如何搭建空间型频域OCT系统,并开展相关研究.通过对测量结果和理论的对比分析,展示了所搭建的空间型频域OCT系统用于测量的可靠性.

基于NI-myDAQ数据采集器的混沌电路实验系统

混沌电路是大学物理实验课程中非线性系统教学内容的典型案例,为了提高学生对非线性实验内容的学习效率和自主学习能力,本文设计了一种基于NI-myDAQ数据采集器和LabVIEW软件平台的混沌电路实验系统.该系统可提高混沌参数微小变化的精密性,实时显示并记录不同参数下的混沌现象,能保存相图、时域图和数据.用该系统测量了蔡氏混沌电路,给出了一定参数下的混沌电路实测结果图,并和Multisim仿真结果比较.结果表明,实验系统测量结果与Multisim仿真结果相吻合.

利用迈克耳孙干涉仪研究光的时间和空间相干性

采用迈克耳孙干涉光路,搭配光电探测器和光纤光谱仪,分别测量时域和光谱信号.在光谱信号的辅助下,调节干涉光路准直和两臂光程差,快速定位白光干涉等光程点.利用压电位移台带动扫描镜在等光程点附近进行光学延迟扫描,测量时域干涉波形,实现对光源相干长度的测量.LED白光光源搭配带通滤光片,实现不同谱宽光源相干长度的测量对比.利用小孔光阑限制扩展光源的发光尺度,分析干涉条纹对比度,实现空间相干性的演示和测量.

张角为直角两半径边简支时扇形薄板二维驻波的研究

本文在小挠度理论下对张角为直角、两半径边简单支承、圆弧边悬空时水平放置的扇形薄金属板的竖向小振动问题进行了研究.通过求解薄板的小振动方程,得出了薄板在不同本征频率(自由频率)下的解析解的简正模式,求出了通解,并计算了相应本征频率下薄板上的圆弧状驻波波节线的半径及方程本征值所遵从的规律,给出了驻波图及薄金属板的弹性模量,得到的简正模式波节线的分布有3种:分别是仅有辐射状波节线、仅有圆弧状波节线(不含两半径边)及辐射状与圆弧状波节线同时存在,并与实验观察到的驻波图形(即克拉尼图形)的相应实测值进行了比较,理论与实验符合得很好.

基于MATLAB的矢量光束聚焦光场仿真

偏振是光的基本属性之一,也是光学课程教学中的重点内容。但由于课时限制等原因,光学课程对于光的偏振介绍比较简单,内容也局限于老旧内容。随着光学的发展,矢量偏振光束由于其独特的特性已经被广泛的研究和应用,因此,在光学课程中引入偏振发展的前沿知识,有助于学生探索新的光学发展领域,从而激发他们的学习兴趣,为推动教研融合作出积极贡献。本文以矢量偏振光束通过高数值孔径物镜的衍射为例,基于矢量衍射理论和MATLAB模拟仿真展示偏振态对光场传播过程和聚焦光场的影响。首先根据矢量衍射理论推导了聚焦场分布积分表示;然后借助MATLAB仿真给出了矢量偏振光束入射情况下聚焦光场分布;最后通过与常见的线偏振光和圆偏振光对比,对矢量偏振光束聚焦场分布进行了分析和总结。

基于FDTD的超透镜聚焦光场仿真

透镜是最基本的光学元件之一,也是基础光学和信息光学等课程的授课重点内容,但由于课时限制等原因,现有的光学课程对透镜内容的介绍仅局限于几何透镜。随着微纳光学的发展,由亚波长结构单元组成的超透镜由于其独特的特性已经被广泛的研究和应用。因此,在光学课程中引入超透镜发展的前沿知识,有助于激发学生对前沿微纳光学的学习兴趣,探索微纳光学领域的奥妙,为推动教研融合做出积极贡献。本文以对偏振不敏感的超透镜光学设计为例,基于FDTD模拟仿真展示平面波通过超透镜后的传播过程和聚焦光场分布。首先,对不同直径的圆柱型亚波长光栅进行全波仿真获得相位信息,根据相位值选取纳米柱单元作为超透镜的元胞结构单元,按照理想聚焦相位分布排布纳米柱从而获得超透镜整体结构,进一步借助FDTD仿真出平面波通过超透镜后的传播光场分布,最后对焦平面聚焦光场分布进行分析和总结。

从创新能力要求分析传统教育模式的两个重要环节的欠缺

通过对比传统教育模式与现实社会问题的产生和解决过程的不同,以创新能力要求为标准,着重分析探讨了传统应试教育模式中存在的教育环节缺乏的问题。提出了解决这些问题的策略和方法。为提高我国的教育水平和学生创新能力提供有益的尝试。