面向培养引领海洋未来发展的科技领军人才的需求，设计了水下激光成像实验，应用于大学物理高阶创新实验。该实验交叉融合了光、机、电、算法、控制等，利用激光器、工业相机、位移装置等搭建水下激光成像系统，使用C++ 编写实验处理软件，通过对激光条纹中心提取方法，三维重建，实现水下目标三维形貌测量。系统应用到实验教学有助于学生掌握水下激光成像技术的相关知识，提高学生创新意识和工程应用能力。

为了探究螺钉在斜面上的摆动情况，首先从能量角度、转动惯量角度和摆动条件角度进行理论分析，然后选取斜面倾角、螺钉倾角、斜面摩擦系数、螺钉的质量以及螺钉的长度等作为影响螺钉在斜面上摆动的主要因素进行探究，分别通过实验室实验、Solid works 仿真、Tracker 轨迹跟踪、Matlab 拟合等方法，研究各个因素对螺钉摆动情况的影响。研究结果表明:在其变量一定的条件下，斜面倾角与螺钉摆动幅度呈正相关趋势;螺钉倾角增加或者斜面摩擦系数增大或者螺钉质量增大或者螺钉长度增大时，螺钉摆动幅度均呈现减小趋势，实验结果验证了理论分析的正确性。

针对激光原理中的光学谐振腔实验，提出一种跨领域的新材料替换传统平面镜的实验教学方案。将人们日常生活中经常接触到的交通领域的棱镜型反光膜用于实验过程中，一方面可以调动学生的兴趣，提高学生的创新意识;另一方面，该材料的超强反光效果和逆反射性能，有效克服了平面镜谐振腔调试难度大，消耗时间长的缺点。通过与平面镜谐振腔的调试过程和实验结果做对比，培养学生的学科交叉能力，同时也能够很大程度上提高激光原理实验教学的效率和质量。

为了让学生更好地认识二维材料，设计了二维材料的制备与光学表征的综合性实验。实验选取几种典型二维材料为研究对象，通过机械剥离法制备二维样品，利用显微镜探究其基本的层状形貌和稳定性，并通过拉曼光谱研究二维材料层数依赖的拉曼光学特性。将学术前沿与实验教学相融合，增加了实验的探索性和创新性，有利于提升学生的创新精神和综合实践能力。

将单片机、摄像头、步进和减速电机等模块添加到传统的迈克尔逊干涉仪上进行改进，基于 Open CV 图像识别技术进行干涉条纹识别，使用改进后的迈克尔逊干涉仪测量乙醇溶液在不同温度下的折射率，并拟合出折射率与温度的关系式。实验验证，改进后的装置使用方便，测量准确。拟合后的曲线较好地反映乙醇溶液折射率随温度的变化关系，可以为科教、工业等领域提供数据参考。

随着全球能源需求的持续增长和环境保护意识的加强，开发和利用可再生能源成为了当务之急。在这一背景下，钙钛矿光伏电池以其高效率和低成本的特性受到了广泛研究。本文介绍了一个综合物理实验，即多量子阱钙钛矿的合成及其光伏性能的表征。实验旨在通过合成多量子阱钙钛矿材料并评估其在光伏应用中的性能，以培养学生的科研兴趣和实践技能。实验内容包括:多量子阱钙钛矿材料的合成，采用层间插层策略引入不同尺寸的有机阳离子，以调控材料的结构与相分布;通过 X 射线衍射和吸收-发光光谱技术对材料的晶体结构、结晶性、光学和电学性质进行表征;制备钙钛矿光伏电池并通过电流-电压曲线评估其光电转换效率。本实验有望使学生深入理解材料物理、器件物理和光伏技术的基本概念，激发他们在新能源领域的研究兴趣，为他们未来的科研活动或职业生涯提供实践经验和技术基础。实验的设计兼顾了教学的全面性和科研的前沿性，有望在物理及相关学科的教学改革中起到积极作用。

本实验旨在设计一个针对本科生的大学物理实验课程，通过紫外光照射下钛氧化物对甲醛降解效率的实验，让学生深入了解光催化技术的应用背景、基本原理和实验方法。本实验采用锐钛矿型 TiO₂ 、金红石型 TiO2 和 TiO 三种钛氧化物材料，在紫外光照射下对甲醛进行降解，并通过测量甲醛浓度的变化来定量评估光催化降解效率。实验结果显示，锐钛矿型 TiO₂ 表现出最高的降解效率，其次是金红石型 TiO₂ ，而 TiO 的降解效率最低。本实验不仅使学生掌握光催化反应的基本原理和相关科研能力，还培养了学生的实验操作技能和数据分析能力。

智能响应水凝胶由于能够感应并响应环境变化，具有很大的应用前景。但目前许多智能水凝胶由于力学性能弱、导电性差等问题，阻碍了许多应用的可能。实验以 N-异丙基丙烯酰胺(NIPAM)和丙烯酰胺(AAM)为单体，纳米银片作为导电填料，合成了具有温度响应性的 Ag-P(NIPAM-co-AAm)-NaCl 水凝胶。该水凝胶具有 700%以上的极限应变、较高的电导率、可调节的低黏附性，能够减少人体正常生理活动下由于运动伪影产生的噪声，并且可以通过改变 N-异丙基丙烯酰胺(NIPAM)和丙烯酰胺(AAM)的占比来调控凝胶的最低临界温(LCST)。实验使用水凝胶组装了电极，该电极在100 Hz 下达到了 20 kΩ 的低接触阻抗，采集到的心电信号信噪比超过 28 dB，并且能够稳定工作长达24 h。这种高性能水凝胶电极为下一代智能生理信号监测和应用场景提供了更多可能性。

针对磁机械振荡器模型中弹簧片在磁场中不断振荡的现象，利用 Hook 定律和电磁学基本相互作用关系式，对弹簧片建立二维动力学理论模型、构建二阶常微分方程，得到弹簧片振幅和能量的影响因素。通过控制单一变量法进行实验探究，以及利用 Tracker 软件对实验视频逐帧追踪分析，结合Matlab 仿真，将实验结果与理论进行对比分析，五组实验的平均相对误差分别为 3.21、1.83、22.67、1.98 和2.36%，为磁机械振荡器的相关研究提供了理论支撑和实验方法。

三基色原理是彩色显示器件的基本原理之一，颜色合成实验是物理实验体系中体现三基色原理的常见实验。将实验内容与日常生活紧密结合，激发学生的学习兴趣，是提升实验教学效果的有效手段。学生自己的手机作为实验仪器设计的手机 OLED 屏幕子像素分布的观察与颜色合成实验能够在完成颜色相加混合实验的同时，调动学生的探究热情，实现良好的教学效果。与现行实验相比，开展实验不需要额外光源和颜色合成仪，成本大幅降低，具有良好的推广意义。

针对位于风场中的长圆杆所受的风致压差阻力及其阻力系数的测定设计了综合性实验。自制风场均一的吸入式风洞，测量处于匀流场中的长圆杆的杆周风压，计算得到杆周压强系数分布及长圆杆单位长度所受的压差阻力。基于实验参数，利用 Fluent 软件模拟杆周风压分布，所得到的模拟结果与实验结果较为吻合，证明了模型的准确性。以此为基础，数值模拟了风速、杆直径等因素对长圆杆在风场中所受的压差阻力的影响，并确定该实验环境下的阻力系数。

采用固相法合成了 Yb³⁺/Tm³⁺共掺杂的层状钙钛矿型 CaBi₂Nb₂O₉ (CBN)上转换(UC)发光材料，并利用粉末 X 射线衍射(XＲD)、场发射扫描电镜(FESEM)和 UC 发射光谱研究了它们的物相结构、形貌和上转换发光性能。在 980 nm 激发下，CaBi₂Nb₂O₉ :Yb³⁺/Tm³⁺样品呈现出以 478 nm 为中心的强蓝光发射，并伴有典型的 647 nm、695 nm 弱红光发射和 783 nm 近红外发射，这归因于 Tm3+分别对应于 ¹G ₄ → ³ H ₆ 、¹ G₄ →³ F₄ 、³ F₃ →³ H₆ 和³ H₄ →³ H₆ 跃迁。功率依赖性研究表明，所有 UC 发射都是双光子过程。结果表明，CaBi₂Nb₂O₉ 是一种很有前途的 UC 发光材料。

提高测角系统的测量分辨率以及测量范围对于角度测量技术的发展至关重要。与传统的旋转棱镜的测角方法相比，文中提出的基于激光自混合干涉技术的微角度测量实验装置结构简单，成本较低，并且可以在扩大角度测量范围的同时，提高微角度测量分辨率，有效加深学生对于微角度测量的理解。通过将科研最新进展引入实验教学环节所提出的探究性实验可以丰富大学物理实验的教学内容，对于培养学生的科研素养，以及对于提高学生的主动探究能力都能够起到实质性的作用。

电磁场理论是公认的难教、难学和难用，电磁场实验是学生认识电磁场应用的一个窗口。引入有限元现代仿真工具 Maxwell 及 HFSS，通过图形图像诠释抽象的矢量方程。以高压传输线为例，基于 Maxwell 仿真接头电场分布;以矩形空气波导传输线为例，基于 HFSS 分析电磁场的周期性分布。实验以解决电磁场问题为依据，通过理论分析、建模仿真和实际操作形成完善的电磁场实验经历，培养学生利用电磁场理论进行分析和解决问题的能力，提升学习兴趣和工程实践能力。

为培养创新型人才，结合电子科学与技术专业的教学内容，设计了内容为“自驱动 α-Ga₂O₃/Cu₂O 双波段光电探测器”的研究性实验。采用水热法和光沉积法分别制备 α-Ga₂O₃ 纳米线和 Cu₂O  纳米颗粒，采用 X 射线衍射仪和扫描电子显微镜对纳米线进行了表征，通过合理设计器件的能带结构，所制备的 α-Ga₂O₃/Cu₂O 异质结光电探测器具备对深紫外和近紫外分辨探测的能力，并深入分析了其中的物理机制。将学术研究的探索精神融入实验中不仅可以提升实验的趣味性，还可以锻炼学生的自主学习能力、创新实践能力和科研探索能力。

随着微电子技术向纳米尺度迈进，高性能介电材料的开发成为提升集成电路性能的关键。原子层沉积(Atomic Layer Deposition，ALD)技术以其卓越的薄膜均匀性、精确的厚度控制和良好的界面特性，在制备高性能 Al₂O₃ 介电材料方面展现出巨大潜力。本文针对微电子科学与工程和集成电路等相关专业，设计了 ALD 方法制备高性能 Al₂O₃ 介电材料的教学内容，通过介绍 ALD 沉积技术原理、Al₂O₃ 介电薄膜相关知识、实验操作流程，Al₂O₃ 介电薄膜的表征与分析等过程设计，旨在培养和提高学生的实践能力和创新能力。

在接收微波信号用的低噪声放大器的红外探测元件，常用密闭循环的小型制冷机冷却中，进行电学、光学和磁热性能等基础实验。本文在以 GM 制冷机为基础，设计了一款 4K 顶部换样的结构，并进行了详细的理论分析和试验验证，确认了该结构的尺寸，取得一定的进展和成果。

分光计实验在大学物理实验课程中具有重要的教学意义，有助于学生深化对光学理论和精密测量的理解。针对分光计调平实验中的难点，提出并探讨了一种利用智能手机和手机支架对传统分光计实验装置进行简易升级的方法。该方法通过智能手机的水平仪和拍照网格功能，帮助学生更直观、准确地完成望远镜和载物台的初步调平操作。在细调和测量三棱镜顶角的过程中，借助手机支架的稳定性和手机摄像头的高清显示效果，学生可以实时观测望远镜目镜中的实验现象，显著降低了实验操作的难度，减少了视觉疲劳问题。该升级方案不仅提高了实验效率和质量，同时也增强了学生对实验的兴趣和理解能力。该方法成本低廉、易于实施，具有较高的推广价值。

在物理实验领域，对实验数据的精致且严格处理构成了实验研究的基石。尤其在对数据处理的精确性和作图质量有着极高要求的复杂物理实验中，借助专业的数据处理软件以执行数据解析、图像展现以及曲线拟合等任务显得尤为关键。首先，以弗兰克赫兹实验为案例，实现了运用 Matplotlib与 Matlab 两款软件对实验数据进行直观且高效的可视化处理，发现在本实验中，Matlab 软件做出的图像更加精细且代码更简单;其次，以铁磁材料的基本磁化曲线及其磁滞回线为例，进一步揭示了这两款软件在图像拟合方面的卓越性能，发现 Matlab 的拟合能力更强，可供选择的拟合方式更多;但 Matlab 更适用于简单绘制，Matplotlib 适用于精细地控制。将 Matplotlib 与 Matlab 融入大学物理实验教学，不仅能够激发学生的创新意识，而且有助于培育其科学研究素养，更为他们未来投身科研工作奠定坚实的基础。

利用树莓派的数字可视化优势，结合其轻便和便携的特性，对大学物理实验中的光栅光谱仪测量方案进行了改进。通过自主编写 Python 程序，用蓝色和绿色两种单色光源，确定了视场中可见光谱的波长，并计算了不同波长光线的衍射角度。此外，通过连接自制的光栅光谱仪和数字摄像头，成功在树莓派屏幕上显示出不同色素浓度下的光谱分布情况。在实验过程中，根据测量得到的吸光度光谱图像和色素浓度数据，数据拟合得到了吸光度与色素浓度之间的函数关系。这种改进的测量方案不仅提高了实验的准确性和便捷性，还为学生提供了一个直观的学习平台，有助于他们更好地理解和掌握光谱学原理及其在物理实验中的应用。

对心碰撞是碰撞的理想化模型，是经典力学中的重要内容之一。本研究借助 Mathematica这一功能强大的编程软件，对对心碰撞这一重要知识点展开了研究，基于经典力学中的相关公式，对其中的完全弹性碰撞、完全非弹性碰撞、非完全弹性碰撞以及常见的三个类碰撞模型—子弹模型、弹簧模型、板块模型均做了精确的动态模拟，考虑了物体形状的影响，制作出了一系列生动形象的动态效果图，并在图中展示了速度等关键物理量的实时变化，有助于学习者建立清晰的物理图像，加强对对心碰撞现象的理解，丰富了物理教学的数字资源库。同时，本文也展现了 Mathematica 这一编程软件在物理教学资源开发方面的广阔发展前景。

基于 Python 软件的交互性和色彩显示能力，设计出了杨氏双缝干涉和衍射实验的仿真模拟平台。该平台为具有普适性及便捷性的 EXE 文件，此用户平台界面实现了实验参量可调，呈现了干涉和衍射条纹随各种参数变化的规律。通过交互式操作控制参数，进行动态模拟，使得真实实验过程得以可视化，为物理中光学部分的教学提供辅助。

主要探讨了 MATLAB 仿真技术在光偏振实验数据分析中的应用。详细阐述了光偏振实验的基本原理，包括马吕斯定律、四分之一波片和半波片的相关知识。深入分析了 MATLAB 在光偏振实验数据分析中的具体应用，如对马吕斯定律实验现象的分析，四分之一波片角度误差和相位延迟的研究，以及半波片实验现象的分析。最后得出结论，强调了 MATLAB 仿真技术在提高光偏振实验数据分析准确性和效率方面的重要作用。

光纤通信原理与系统作为光电信息科学与工程专业的重要课程，其开设旨在使学生充分了解光纤通信的基础知识，培养学生对光纤通信的基本技能素养和新科技、新方法的运用技能，近年来光纤通信技术的飞速发展也导致了光纤通信系统的容量和速度的巨大提升。光纤通信科研与教学之间的协同已经成为培养学生科研创新思维能力与实践能力的重要抓手，本文阐述了将科研融入教学的若干尝试，包括引入光纤通信系统仿真软件 Optisystem;构建光纤通信系统光发射端、光纤传输线路和光接收端的详细可视化结构;通过 Optisystem 仿真软件分析光纤通信系统信号眼图和误码率动态特性。通过科研反哺教学的方式，将光纤通信科研实践成果引入教学中，一方面可以使光纤通信原理与系统课程

中的基本概念与工作流程更加直观;另一方面可以培养学生的科研创新思维与实践能力。该教学改革与实践对具有创新精神与创新意识的光电信息科学与工程学术型人才培养有一定的意义。

课程思政是思想政治和教育教学工作的有机结合，以此来切实落实立德树人这一根本任务。大学物理课程作为高等学校理工科类学生的一门必修基础课程，其物理思想、研究方法、思维方式等所展现出来的科学精神对于学生专业实践能力的培养具有重要意义。勇于挑战、探索未知是科学精神的精髓也是石油精神的特质，不断探索、艰苦奋斗的石油精神同样包含了人类追求发展进步的渴望。石油是综合性行业，应用了丰富的物理学知识，其发展历程凝结出了以“大庆精神”“铁人精神”“苦干实干”“三老四严”为核心的石油精神，将石油元素融入大学物理课堂，可以使学生更好地理解知识的同时，培养学生的担当精神和爱国情怀。因而将石油精神和科学精神融入课堂中，在培养学生专业能力的同时，还可以塑造健康人格，加强“强国有我”的使命感。