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。

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.

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.

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.

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。

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.

基于光控取向技术的液晶元器件研究

从液晶取向技术展开,介绍了液晶几何相位的基本原理和光控取向液晶元器件的制作工艺,通过实验制备了液晶透镜和液晶双焦点透镜样品,并在衍射光路中演示了其效果.相比于传统光学透镜,制备的液晶透镜和双焦点透镜的焦距和焦点位置可以按需预设在液晶样品中,其中双焦点透镜可实现焦距相等和焦距不相等的情况.此外,本实验制备的液晶样品还具备偏振控制的功能,通过调节入射光的偏振态可以切换目标光场的分布.

准稳态下常功率平面热源法测不良热导体热导率及COMSOL模拟

准稳态法是测量不良热导体热导率的一种常用方法,样品材质、保温层、加热功率等都会对测量结果造成影响。本文采用分离变量法,以有机玻璃为例,求解了厚度均匀的无限大不良热导体两侧同时施加均匀的指向中心面的热流密度时的热传导方程,得到样品各处的温度随时间变化的严格解。在初始加热时间不到十分钟的状态下采用截断近似,并在准稳态下用常功率平面热源加热法测量了不良热导体的热导率k及比热c。在此基础上,采用四块有机玻璃板和两个加热薄膜外包泡沫和聚丙烯(PP)阻热材料的模型,作了COMSOL多物理场耦合仿真,得到的理论、实验及仿真结果三者符合得很好。

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。

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。

中微子探测中的光学应用

中微子是宇宙中最丰富的基本粒子之一,是一种只参与弱相互作用的电中性粒子。中微子极其难以探测。然而,光电探测手段突破技术瓶颈,通过光电效应实现弱光快响应信号的放大和读出,在中微子物理领域取得空前成功。本文将简述中微子性质的认识过程,重点介绍光学及其光电器件如光电倍增管等在中微子探测中的应用。

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。

两径向边简支时环状扇形薄板二维驻波的研究

本文在理论和实验上分别对张角为钝角、锐角,两辐射线方向边界简单支承、内外两圆弧边均悬空时水平放置的环状扇形薄板的小振动问题进行了研究。根据小挠度理论,采用极坐标系,用分离变量法求出环状扇形薄板给定边条件下不同本征频率及对应的本征振动模式,得出了通解,计算并讨论了不同本征振动模式下的圆弧状驻波波节线的半径及径向波节线的分布,求出薄板的弹性模量,给出仿真模拟驻波图,与实验上观察到的不同本征频率下的几种Chladni图形相比,理论与实验及仿真模拟结果符合得很好。

轴子拓扑绝缘体候选材料层状Eu_(1-x)Ca_(x)In_(2)As_(2)的物性研究

二维磁性材料的研究推动了现代纳米电子器件的发展.寻找本征的具有磁性的层状材料,为探索研究新的二维磁性材料、制备二维电子器件提供了重要的材料基础.近来,本征二维反铁磁拓扑材料的发现引起了人们的广泛关注和兴趣.EuIn_(2)As_(2)被预言是一种轴子拓扑绝缘材料,它具有典型的反铁磁序和层状的晶体结构,其潜在的多种拓扑量子效应可以为未来新型电子学器件提供新的发展思路.实验结果表明EuIn_(2)As_(2)处于金属态,而非绝缘态.本文通过掺杂Ca来调节体系的费米能级和磁性,发现Eu_(1-x)Ca_(2)As_(2)中仍然存在与母体类似的长程反铁磁的结果.反铁磁矩沿面内方向,符合理论预言的轴子态磁结构.在反铁磁转变温度以上发现了铁磁极化子.由此可见,非磁性杂质掺杂对体系的磁性影响不大,但是载流子浓度却降低了一个数量级,费米能级沿电子型方向进行调制.本文的研究为在二维磁性材料中探索和诱导非平庸拓扑态提供了重要信息.