大学物理实验

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大学物理实验
Physical Experiment of College
（双月刊）
主管单位：
吉林化工大学
主办单位：
吉林化工大学
编辑出版：
《大学物理实验》编辑部
主编：孟磊
发行：
《大学物理实验》编辑部
ISSN 1007-2934　CN 22-1228/O4

当期目录

2025年, 第38卷, 第5期　刊出日期：2025-10-25

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大学物理实验, 2025, 38(5): 0-0.

摘要 ( 9 )

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大学物理实验, 2025, 38(5): 0-0.

摘要 ( 7 )

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光纤位移传感器的理论和实验研究

刘龙江, 胡德一, 温和安, 李佳慧, 洪雅悦, 牛文喆

大学物理实验, 2025, 38(5): 1-6. https://doi.org/10,14139/j.cnki.cn22-1228.2025.05.001

摘要 ( 3 )

PDF (961KB) ( 0 )

针对出射光场的光强分布是均匀分布和高斯分布两种情形，推导出了传感器输出量与位移之间的定量关系，建立了光纤位移传感器的理论模型，并对该模型进行了仿真分析。采用铁、铜、铝和镜面贴纸等材料制备反射面，通过实验验证了理论模型的有效性，为制作光纤传感器和实验教学提供理论依据。

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基于叠层栅介质的制备及介电与光学性能分析的实验教学设计

王雷妮 , 周睿阳, 胡鹏宇 , 蒋先伟 , 杨波

大学物理实验, 2025, 38(5): 7-12. https://doi.org/10,14139/j.cnki.cn22-1228.2025.05.002

摘要 ( 6 )

PDF (2258KB) ( 0 )

微电子技术迈向纳米尺度，推动高性能介电材料成为提升集成电路性能的核心。针对透明电子器件对高介电常数、低漏电流栅介质的需求，设计了一种面向微电子与集成电路专业的实验设计。以 CeO₂ /Al₂O₃叠层栅介质为核心研究对象，通过溶液法制备 CeO₂薄膜，通过原子层沉积(ALD)技术沉积4nm 超薄Al2O3钝化层构建叠层结构。实验涵盖薄膜制备、介电性能测试分析(单位面积电容C_ox 、漏电流密度J_leak )与光学性能表征分析(透射率、吸收谱)，旨在培养学生从材料选择、结构设计到器件应用的系统创新能力。该设计有效衔接半导体工艺与器件物理知识，提升学生解决前沿电子器件问题的工程素养。

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基于霍尔效应的液体表面张力系数测量

王子童, 雷成龙, 陈青

大学物理实验, 2025, 38(5): 13-17. https://doi.org/10.14139/j.cnki.cn22-1228.2025.05.003

摘要 ( 10 )

PDF (2987KB) ( 0 )

表面张力是液体的一个重要物理性质，具有广泛的实际应用，是大学物理实验的重要内容之一。为改进大学物理实验教学中的液体表面张力系数测量方法，搭建一套基于霍尔效应传感器的液体表面张力系数测量装置，实现微小力的精确测量。基于此，采用拉脱法测量了水的表面张力系数，证实其具有较好的稳定性和重复性。实验装置方便搭建、易操作，可较好地培养学生传感器的应用和实验设计能力。

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电极半径对正交电磁场中电子运动的影响

苏亚凤, 陈贺胜, 王兴

大学物理实验, 2025, 38(5): 18-22. https://doi.org/10.14139/j.cnki.cn22-1228.2025.05.004

摘要 ( 7 )

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利用四阶龙格库塔法数值计算了正交电磁场中不同阴极半径和阳极半径下的电子运动轨迹。计算结果表明:当阴极半径较小的时候，电子做类“8”字旋转曲线运动，而当阴极半径较大时，则呈现近似半圆形弹跳运动行为;阴极半径越大，电子的运动曲线在阳极附近的曲率半径越大;阳极半径越大，电子的运动曲线在靠近阳极处的曲线曲率半径越小。此数值模拟实验计算既直观展示了电子的运动行为，又弥补了实体实验在控制参量变化上的局限性。

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基于金纳米双锥的局域表面等离子共振激发型光纤传感器的实验教学研究

李宏韬, 吴昊, 杨雪婷, 刘子林, 王云龙, 吕亮

大学物理实验, 2025, 38(5): 23-27. https://doi.org/10.14139/j.cnki.cn22-1228.2025.05.005

摘要 ( 9 )

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在传统的光纤传感实验中，基于局域表面等离子共振(Localized Surface Plasmon Ｒesonance，LSPＲ)的光纤传感器通常是利用金纳米球的散射截面和光吸收特性，激发的 LSPＲ可以有效地提高光纤传感器的传感灵敏度，但是吸收峰位于可见光范围 500 nm 左右。因此，使用具有更大消光截面、尖端结构的金纳米双锥，利用不同长径比的金纳米双锥(其吸收峰可位于近红外 700 nm 以上)且结合微纳多模光纤对于环境折射率变化敏感的特点，传感器的折射率灵敏度达到了 622 nm/ＲIU，金纳米双锥的尖端热点效应更强，从而传感器表面的电场强度得到了显著提高。将学术前沿技术与实验教学结合，增加了实验的创新性，有利于提升学生的创新精神和综合实践能力，激发其对新型光纤器件和传感应用的兴趣。

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基于光杠杆原理的焦利氏秤测量液体表面张力系数

李梦阳, 卢定泽, 宋毅哲, 侯鸿儒, 方宇杰

大学物理实验, 2025, 38(5): 28-33. https://doi.org/10.14139/j.cnki.cn22-1228.2025.05.006

摘要 ( 9 )

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通过优化实验方法，设计了一种基于光杠杆原理的焦利氏秤测量液体表面张力系数的实验，借助光杠杆法和拉脱法设计并制作了新型光杠杆测量装置，引入了环形刻度读数方式，便于读数。该装置摒弃了复杂的“三线合一”操作，解决了传统焦利氏秤操作复杂、人为误差较大等问题，实践证明该实验测量方法易操作、重复性强、数据精度高，同时读数便捷，使得装置具有更好的易用性和实用性。

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利用容栅传感器测距系统提高声速测量仪的测量精度

陈傲朋, 董金毓, 朱文彬, 马天承, 龙洋州, 贺连辉, 易元超, 王博韬, 张晓凤, 辛红

大学物理实验, 2025, 38(5): 34-37. https://doi.org/10.14139/j.cnki.cn22-1228.2025.05.007

摘要 ( 10 )

PDF (1814KB) ( 0 )

利用容栅传感器测距系统对超声声速测量仪进行改进，通过容栅传感器测量阈值电压位置的数据，实现波长的精确和自动测量，减少了人为误差，并提高了测量效率，在测量介质状态实时变化的声速时更有优势。实验中，首先探究了阈值电压对实验结果的影响，结果表明增加阈值电压可以提高测量精度，阈值电压为 11 V 时，空气中声音的传播速度为 v=346．7±0．6(m/s)，相对不确定度为 0．17%，百分差为 0．52%，与改进前相比相对不确定度减少了 1．3%，百分差减少了 3．8%。此实验将为相关领域的研究和应用提供了有力支持。

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基于锥形 SNS 结构的多功能光纤传感器研制

杜浩, 樊国梁, 张璐强

大学物理实验, 2025, 38(5): 38-45. https://doi.org/10.14139/j.cnki.cn22-1228.2025.05.008

摘要 ( 11 )

PDF (2975KB) ( 0 )

基于光纤多模干涉原理，以 Single-mode-No-core-Single-mode(SNS)光纤为结构基础，通过拉锥工艺设计了一款高性能的锥形 SNS 光纤传感器。实验数据表明，该传感器在溶液浓度和环境温度检测中表现出卓越性能，与未拉锥光纤传感器相比，锥形 SNS 光纤传感器在浓度和温度测量中灵敏度分别提升 57．26%和 58．04%。同时，该装置适应性强，能够应对多样化实验场景，并在浓度测量过程中受温度变化的交叉干扰较小。此外，开发了光功率—浓度/温度实时转换模块，实现了多物理量的实时转换与测量，响应时间约 1 s，这为装置的市场化应用提供了技术支持。

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双层水槽温差发电装置设计及输出特性研究

林春丹, 周露露, 张万松, 杨振清, 安峰辰, 刘洪辰, 杨东杰

大学物理实验, 2025, 38(5): 46-51. https://doi.org/10.14139/j.cnki.cn22-1228.2025.05.009

摘要 ( 9 )

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温差发电是热电效应的重要应用之一，设计和制作温差发电装置并研究其输出特性，对优化温差发电器件或系统的应用效果具有重要意义。针对温差发电技术应用领域的研究需求，该文设计并制作了一套双层水槽的温差发电装置。该装置外层水槽利用虹吸现象通入循环水，内层水槽外加电源对水加热，使发电片在温差作用下产生电势差，并通过外接测量电路研究其输出特性。通过设计实验探究了不同条件下双层水槽温差发电装置的输出特性，结果表明:增大温差发电片内外温差，调节发电片连接方式等方法可有效提高发电装置的输出功率。该装置结构简单、灵活度高、制作成本低、安全性高、易于操作，因此可以运用到实验教学中，为温差发电的实验设计提供一定的思路和启发，使学生更好地了解温差发电技术。

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基于力敏传感器的液体浓度测量及装置设计

孔德明, 丁瑞雪, 薛正扬, 刘雁群, 徐富新, 何彪

大学物理实验, 2025, 38(5): 52-58. https://doi.org/10.14139/j.cnki.cn22-1228.2025.05.010

摘要 ( 10 )

PDF (4386KB) ( 0 )

基于高精度的力敏传感器和 STM32 主控芯片，通过建立溶液“浓度－密度－浮力”的对应关系，利用力敏传感器对浮力的变化进行精确测量，设计了一种液体浓度测量装置。装置设计完成后，使用该装置分别对氯化钠溶液、碳酸钠溶液、硫酸铜溶液、乙醇溶液进行了浓度测量，测量结果与实际浓度的偏差普遍在 0．3%以下，表明该装置具有较高的测量精度。

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高斯法测量地磁场装置的改进

顾言智, 张刘捷, 类淑国, 芮云军

大学物理实验, 2025, 38(5): 59-63. https://doi.org/10.14139/j.cnki.cn22-1228.2025.05.011

摘要 ( 7 )

PDF (1597KB) ( 0 )

高斯法测地磁场实验中，悬线的扭力不能忽略。本文通过改进实验装置，测量了悬线的扭转系数。绷紧的悬线不但提高了地磁场水平分量 B_∥ 的测量精度，而且可应用在地磁场垂直分量 B _⊥ 的测量中，两者误差分别控制在 3．0%与 6．7%以内。扭力矩的巧妙利用，为地磁场两个方向的测量提供了新思路。

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基于 Python 的驻波仿真模拟

王新光, 张晨斌, 庹忠曜, 张红光, 李永涛

大学物理实验, 2025, 38(5): 64-73. https://doi.org/10.14139/j.cnki.cn22-1228.2025.05.012

摘要 ( 8 )

PDF (6708KB) ( 0 )

驻波是波动章节的关键知识点之一。针对传统实验教学中难以精确直观展示不同条件下的驻波动态变化，尤其是涉及振幅和相位差异的复杂情形，基于 Python 语言，设计了交互式驻波仿真模拟平台。针对“振幅相同、初相位相同”“振幅相同、初相位不同”“振幅不同、初相位相同”3 类典型情形的波形叠加过程，通过交互式 GUI 界面实现控制参数实时调节与合成波波形动态展示，将抽象理论转化为直观呈现的动态图景，深化学生对驻波本质特征的理解与掌握，为教育数字化实践提供有益支持。

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基于 MATLAB 的光栅光谱仿真研究

孙驿, 尹航, 李楚涵, 李沁哲, 何学敏

大学物理实验, 2025, 38(5): 74-81. https://doi.org/10.14139/j.cnki.cn22-1228.2025.05.013

摘要 ( 9 )

PDF (2020KB) ( 0 )

本文基于 MATLAB 设计了一款光栅衍射光谱仿真程序，通过构建光栅方程、缺级条件和光强分布的数学模型，实现多参数(如波长、光栅常数、缝数)可调的光栅衍射动态仿真。程序支持复色光(多波长)输入，结合单缝衍射与多缝干涉因子计算光强分布，生成光谱强度分布曲线与衍射条纹分布图。仿真结果与理论预测一致，清晰地展示了不同参数对衍射条纹特征的影响，且光栅常数计算误差较低，验证了程序的精确性。该仿真工具有效克服了传统实验的局限性，提供了自主探究衍射规律的平台，有助于深化对光栅光谱特性的理解，同时为相关实验提供了高效的辅助手段。

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基于稳态法测量热导系数实验数据的优化处理研究#br#

叶子轩, 吴秀梅

大学物理实验, 2025, 38(5): 82-87. https://doi.org/10.14139/j.cnki.cn22-1228.2025.05.014

摘要 ( 9 )

PDF (1833KB) ( 0 )

依托于稳态法测定固体导热系数实验，本研究致力于探寻更优的实验数据处理方法。通过运用 Excel、Matlab 和 Mathematica 软件工具，对散热盘的温度随时间的变化关系，分别进行多项式模型和指数模型拟合。拟合优度(Ｒ 2 )、赤池信息准则(AIC)、均方根误差(ＲMSE)，用来分析不同拟合模型对实验数据处理的优度，以更有效地辨析数据处理的最佳拟合方案。分析结果显示，多项式 4 阶拟合模型在处理实验数据时，表现出最佳的拟合优度，有效的提升了数据的处理精度。本研究为优化实验数据处理，提供了可参考性的拟合方案和评估方法;为提高实验精度，提出了一种具有可操作性的研究思路。

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基于 LabVIEW 的电介质介电常数测量虚拟仿真实验#br#

吕梦雪, 李楚涵 , 尹航 , 陈浪 , 张宇飏 , 何学敏

大学物理实验, 2025, 38(5): 88-95. https://doi.org/10.14139/j.cnki.cn22-1228.2025.05.015

摘要 ( 8 )

PDF (4207KB) ( 0 )

用 LabVIEW 成功搭建《介电常数的测量》虚拟仿真实验平台。该平台采用电桥法，通过虚拟的平行板电容器测量电容量，进而计算电介质的介电常数。实验设计考虑了电极边界效应和分布电容的影响，提高了测量准确性。利用 LabVIEW 的图形化编程界面实现了参数灵活设置、数据自动采集与处理、结果可视化展示等功能。该平台拓展到固、液、气态多种电介质的介电常数测量，仿真实验结果的相对误差均在 1．0%以内。该虚拟仿真实验提供了一个高效、准确的实验学习环境，有助于提升实验教学效果。

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LALSuite 在相对论教学中的应用与实践探索#br#

刘帅

大学物理实验, 2025, 38(5): 96-99. https://doi.org/10.14139/j.cnki.cn22-1228.2025.05.016

摘要 ( 11 )

PDF (894KB) ( 0 )

相对论及引力波本身具有高度的抽象性和复杂性，给教学带来了显著挑战。借助 LALSuite软件对双黑洞在旋近、合并与铃宕阶段所辐射的引力波进行模拟，能够将抽象的物理概念具象化，显著提升学生对相关复杂理论的理解，特别是在引力波的形成机制与实际探测原理方面的认识，从而激发学生的学习积极性，培养其科学探究精神。此外，通过让学生亲自操作 LALSuite 软件，生成双黑洞合并过程中的引力波波形，并通过调整输入参数观察引力波信号的变化过程，不仅提升了学生的动手实践能力，也有助于增强其对科学研究方法的理解，进一步促进科学素养的养成。

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三维虚拟光学实验平台的实现与应用

周权, 焦洋, 黄思雨, 路后兵, 余昊

大学物理实验, 2025, 38(5): 100-106. https://doi.org/10.14139/j.cnki.cn22-1228.2025.05.017

摘要 ( 9 )

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基于光线追迹算法和 OpenSceneGraph(OSG)图形引擎的渲染能力，设计实现了三维虚拟光学实验平台，支持光学类课程几何光学原理的三维演示、常见光学系统结构功能的动态展现、虚拟仿真实验分析和学生自主创新设计，能够有效提高学生的学习兴趣和实验效果，丰富了光学类课程课堂和实验教学手段。

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基于多模态麻雀搜索算法的地下管道定位算法研究#br#

董千慧 , 孙骞 , 李昆 , 李唯一

大学物理实验, 2025, 38(5): 107-116. https://doi.org/10.14139/j.cnki.cn22-1228.2025.05.018

摘要 ( 8 )

PDF (1403KB) ( 0 )

基于多信号分类算法(Multiple Signal Classification，MUSIC)算法的地下目标定位算法在多维遍历搜索过程中存在计算复杂度高、实时性差、无法应用于车载连续探测的问题。针对此问题，本文提出了一种基于多模态麻雀搜索的 MUSIC 地下目标快速定位算法，该算法推导了离地探测模型下的导向矢量模型，将 MUSIC 算法推广到地下管道定位中，并与寻优能力强、收敛速度快的麻雀搜索算法相结合，提高了算法的实时性。此外针对多目标场景下传统麻雀搜索算法无法同时搜索多个谱峰极值的问
题，本文采用聚类算法对麻雀种群进行划分，从而形成多个子种群对目标峰值并行搜索，并结合粒子群算法实现峰值处局部搜索。仿真结果表明，本文所提方案在避免 2D-MUSIC 算法网格量化误差的同时，用时仅为 2D-MUSIC 算法的 0．979%，且与同类算法相比具有更高的精度与搜索成功率。

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偏振光实验的教学优化策略

李丽, 毕宗杰, 王本阳, 王新顺

大学物理实验, 2025, 38(5): 117-121. https://doi.org/10.14139/j.cnki.cn22-1228.2025.05.019

摘要 ( 11 )

PDF (1725KB) ( 0 )

针对“大学物理实验”里偏振光实验理论知识难理解而传统教学又存在短板的现状在此展开研究。目的在于打破学生学习困境，提升教学质量。采取革新实验数据处理方式，运用极坐标系绘图具象化知识，同时引入测量旋光性液体浓度、偏振光干涉这类拓展实验，从多维度丰富学习场景，助力搭建光偏振知识体系，提升学生在光偏振相关领域的实践与探索能力，为大学物理实验教学改革注入新活力。

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“新工科”背景下“五维一体”大学物理混合式教学模式探索#br#

刘文彦

大学物理实验, 2025, 38(5): 122-126. https://doi.org/10.14139/j.cnki.cn22-1228.2025.05.020

摘要 ( 10 )

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在“新工科”建设背景下，地方工科院校的应用型人才培养面临新的挑战。针对大学物理课程教学中学生多维度思维能力培养不足的问题，构建了以“1+N”教学内容、“ENＲDM”教学法、服务性学习任务、三方四库资源共建和“两化两度两性”评价体系为核心的“五维一体”混合式课程体系。通过线上线下混合式教学空间，结合信息化技术手段，实现了知识传授与能力培养的有机统一。

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