随着实验室环境的复杂化与科研活动风险的持续升高,传统消防系统在精准监测与快速响应方面已难以满足需求。 本研究提出了一种基于多模态感知的实验室智能消防系统,通过融合光学、化学与热力学等多维度传感器数据,结合深度学习与边缘计算技术,实现火灾早期识别与联动处置。 实验结果表明,该系统在复杂干扰环境下能够显著降低误报率并缩短响应时间,为实验室安全保障提供了新的技术路径。

 针对传统法布里-珀罗干涉仪教学内容仅限于两镜面反射率相等的局限性,基于多光束干涉理论,推导了两镜面反射率不同时的反射光强、透射光强和腔内循环光强的解析表达式。 利用Ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａ 软件开发了具有动态交互功能的仿真系统,通过实时调节两镜面反射率、腔长、介质折射率、入射角等关键参数,系统可直观展示反射光谱、透射光谱和腔内循环光谱的动态演化规律。 根据两镜面反射率的关系,将法布里-珀罗腔划分为阻抗匹配腔、欠耦合腔和过耦合腔三类,弥补了传统教材在
此部分内容的缺失。 将抽象的多光束干涉过程可视化、动态化,可作为大学物理实验课程的有效教学辅助工具,有助于学生建立清晰的物理图像,培养探究式思维能力。

将倒立摆动力学建模与带积分环节的状态空间反馈控制相结合,设计了一种基于反作用轮力矩补偿机制的抗风杆系统,实现了系统在外部风力作用下的动态稳定。 系统由 ３ 个反作用轮与一根受控杆组成,利用 ＭＰＵ６０５０ 位姿传感器实时反馈系统姿态,并由积分状态反馈控制器计算控制量,再通过 ＳｉｍｐｌｅＦＯＣ 调节反作用轮转速,产生用于抵消外部风力矩的补偿力矩。 为量化系统性能,建立了倒立摆数学模型,并结合实验测试评估系统在不同风速条件下的动态响应。 实验结果表明,该系统在 ０~４ ｍ/ ｓ风速范围内可保持稳定,最大自稳风速达 ５.５ ｍ/ ｓ,平均自稳时间小于 ５ ｓ。 在无风、一级风(２ ｍ/ ｓ)
和二级风(４ ｍ/ ｓ)条件下,杆体稳态倾角分别为 ０.００５、０.０２５ 和 ０.０５７ ｒａｄ,最大倾角分别为 ０.０９５、０.１２０和 ０.１４０ ｒａｄ,动量轮转速峰值分别为 １９５、２１５ 和 ２７８ ｒａｄ/ ｓ。 通过对流风与随机方向风的实验模拟,进一步验证了系统在多风向条件下的鲁棒性。 基于稳态倾角数据计算,系统稳态倾角的样本方差为０.０００ ５５８ ｒａｄ ２ ,样本标准差为 ０.０２３ ６３ ｒａｄ。 该研究不仅为角动量交换与反作用轮控制教学提供了直观实验平台,也为不稳定系统动态稳定控制的教学演示和基础实验分析提供了参考。

 Ｘ 射线荧光分析法具有无损检测、多元素快速分析、准确度高、分析速度快等优势,广泛应用于资源勘探、科学研究、环境监测及工业生产等领域。 为促进学生对该方法从原理到应用的系统掌握,基于 Ｘ 射线荧光分析的基本原理与应用场景,设计了一套涵盖基础实验、原理验证、综合应用等层级的系列实验教学体系。 该体系旨在激发学生的学习兴趣,培养其分析复杂问题和综合运用知识的能力。教学实践表明,该实验体系有助于学生深入理解 Ｘ 射线光谱分析的基本原理,系统掌握 Ｘ 射线荧光分
析方法,显著提升其运用所学知识解决实际问题的综合能力。

针对光电效应实验教学中学生容易产生困惑的三个关键问题,本文开展了实验研究与分析。 首先,通过对比不同光阑孔径下采用交点法与补偿法测得的遏止电压,定量评估了暗电流和本底电流对普朗克常数测量结果的影响,验证了补偿法的有效性。 其次,比较高压汞灯与 ＬＥＤ 光源的测量效果,发现汞灯因其锐线状谱特性更符合“单色光”假设,而 ＬＥＤ 的光谱展宽会导致遏止电压判定出现偏差,从而使普朗克常数的计算误差增大。 最后,分析了实验中观测到的不同波长伏安曲线“倒置”现象,指出饱和光电流的大小不仅取决于光强,还与光源在该波长的相对谱线强度及滤光片透过率共同相关,实验结果与理论预期一致。 本研究为光电效应实验的教学改进提供了参考,有助于学生更深入理解实验误差来源及背后的物理图像。

热膨胀系数是物理学与材料科学的关键物性参数,其精确测量对固体物理理论验证及工业应用具有重要意义。 传统大学物理热膨胀实验存在设备昂贵、操作繁琐、直观性不足、测量精度有限、学生参与度低等问题。 为此,本文设计一种基于光对焦法与影像分析的金属热膨胀系数测量装置,将光学成像与数字图像处理结合,构建非接触、高精度、低成本的可视化测量系统。 系统可分别测量并联合求解金属圆柱样品纵向高度与横向直径的热膨胀量,进而计算线膨胀系数与体膨胀系数。 以 ６０６１-Ｔ６
铝合金为样品开展实验,测得线膨胀系数与理论值吻合良好,线膨胀系数与体膨胀系数比值约 １ ∶ ３,符合热膨胀理论关系。 该装置有望提升实验直观性与可操作性,为大学物理实验教学提供新方法,有助于培养学生实践与工程能力。

利用超弱光纤布拉格光栅对位移变化敏感的特性,提出了一种基于机械增敏与光纤光栅技术的复合位移测量方法。 通过螺旋测微器旋转驱动同轴圆盘转动实现微小位移放大的螺旋结构设计,将微小轴向位移(ΔＬ)通过两次放大,高效转化为圆盘的切向位移,理论放大倍数达 ６１５.８ 倍(ｎ ＝２πＲ/ Ｐ,Ｒ＝４９ ｍｍ,Ｐ＝０.５ ｍｍ),并结合超弱光纤布拉格光栅(ＦＢＧ)对应变的高灵敏度响应,实现了位移-应变-波长的高精度转换。 系统基于布拉格反射原理(λ Ｂ ＝２ｎ ｅｆｆ Λ),通过解调模块实时检测 ＦＢＧ 波长偏移量 Δλ,建立了 Δλ＝１６４９.７５２０·ΔＸ＋０.０６６８ 的线性拟合关系(Ｒ ２ ＝０.９９８ ４)。 实验结果表明,该系统可实现亚纳米级分辨率(最低 ５５３.９ ｎｍ),测量重复性良好(波长标准差约 ０.０１６ ｎｍ),且具备抗电磁干
扰、环境适应性强等优势,为微纳尺度位移测量提供了一种结构简洁、灵敏度高、实用性强的创新解决方案。

微小位移的精确测量在精密制造、微纳加工以及物理实验教学中具有重要意义。 然而,传统高精度位移测量系统往往依赖昂贵的干涉仪或专用工业光栅尺,结构复杂、成本较高,难以在本科实验教学中推广应用。 本文基于线性光栅编码原理,设计并搭建了一套适用于大学物理实验教学的微小位移测量实验装置。 装置利用光栅传感器输出的 Ａ、Ｂ 相正交信号,采用四倍频细分计数方法显著提升测量分辨率;通过脉冲计数实现位移的实时测量与显示。 以 １８０ ＬＰＩ(Ｌｉｎｅｓ Ｐｅｒ Ｉｎｃｈ)光栅条为例,系统理论位移分辨率可达 ３５.２８ μｍ。 实验结果表明,该装置在小量程范围内具有良好的线性度(相关系数
Ｒ>０.９９９),重复测量误差优于 ４０ μｍ。 该实验装置结构直观、原理清晰、成本较低,具有较好的可重复性与可拓展性,适合在大学物理实验及相关课程中推广使用。

针对传统酒精度检测方法存在样品接触、操作复杂、设备体积大等问题,基于近红外光谱技术设计并实现了一种便携式非接触酒精度测量仪。 通过对比 １ ２１０ ｎｍ、１ ３１０ ｎｍ 和 １ ５５０ ｎｍ 三个波长的拟合效果,确定 １ ３１０ ｎｍ 为最佳光源波长;进一步优化比色皿光程,选用 １０ ｍｍ 光程获得最优线性拟合。 在 ３０ ℃下建立酒精度与输出电流的线性模型,并结合温度补偿,构建酒精度与电流和温度的关系模型。 实验结果表明,预测酒精度与标准酒精度的偏差小于 １％,仪器具有良好的准确性和便携性,适用于现场快速检测。

 无线电能传输在现代生活和科技中都有广泛的应用。 文从演示实验角度出发,设计了不同负载的次级线圈。 探究了初级线圈和次级线圈相关特性,从实验上找到了初次级线圈的共振频率ｆ＝(２ １３８±８)Ｈｚ。 基于该共振从实验上测量了不同负载电阻下其输出功率与传输效率。 在 １００ Ω 左右效果最优。 进一步选择负载电阻 １００ Ω,探究了两个特征位置输出功率的变化,在初级线圈内,次级线圈越靠近边界输出功率越大,在竖直中心轴方向,得到了功率下降到 ３６.８％时的距离为(５９.８±０.９)ｍｍ。 基于以上参数,设计了四种演示形式的负载。

 基于 Ｐｙｔｈｏｎ 设计了牛顿环实验的仿真模拟平台,平台由演示实验、仿真实验、数据处理及ＡＩ 辅助四大模块构成。 演示实验动态模拟了牛顿环干涉图像随各种参数变化的规律;仿真实验利用３Ｄｍａｘ 建模,可进行仪器调节、视野观察等交互操作以及数据的测量、保存;数据处理采用最小二乘法作图拟合,不仅支持仿真实验数据的导入,同时也支持线下实验数据的导入,提高了数据处理的准确性及效率;ＡＩ 辅助可针对学生的提问进行及时解答。 本平台光学图像显示逼真,操作过程交互,数据处理准确,ＡＩ 答疑及时,可为光学部分的教学提供辅助,也可为其他实验的仿真提供设计思想和制作框架。

蛇形摆是由多个不同摆长单摆组成的经典力学演示装置,在地方高校应用型物理实验教学中具有重要价值。 针对传统小角度(<５°) 近似下摆幅过小、演示效果受限的问题,本研究基于ＭＡＴＬＡＢ 建立了蛇形摆的精确动力学模型,系统研究了其非线性特性并进行了教学拓展设计。 首先推导了基于第一类完全椭圆积分的大角度摆动精确周期公式,设计了包含 １０ 个摆球的蛇形摆系统(总周期 ４０ ｓ)。 针对摆角从 ５°拓展至 ４５°的演示需求,提出了"周期补偿"与"摆长补偿"两种实施方案。 理论
计算表明:当摆角增大至 ４５°时,若采用周期调整方案(新周期 ４１.５９８ ９ ｓ),摆球水平最大摆幅可由６.５４ ｃｍ增大至 ５３.０７ ｃｍ,且无需重新加工摆长,显著增强了实验可操作性。 ＭＡＴＬＡＢ 数值模拟验证了不同摆球位置随时间演化的周期性和波形演化规律,为物理实验教学提供了有效的理论指导和实践方案。

电磁场实验是学生学习和认识电磁场应用的一个窗口,涡流现象是电磁感应的体现之一,在无损检测、感应加热、电磁制动等工程领域应用广泛,作为有限元电磁仿真工具 Ｍａｘｗｅｌｌ,可形象模拟涡流场分布及特性,通过图形图像诠释矢量方程的解。 结合实验教学,设计了基于 Ｍａｘｗｅｌｌ 的涡流场仿真,通过改变材料及扫频分析,给出了透入深度及涡流损耗。 培养学生利用电磁场仿真工具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。

在人工智能与物联网技术驱动传统光学仪器智能化升级的背景下,针对传统迈克尔逊干涉仪依赖人工操作、测量效率低等局限,本研究基于 ＳＴＭ３２ 主控单元、Ｋ２３０ 视觉识别模块、步进电机及ＥＳＰ３２-Ｓ３ 开源 ＡＩ 模块,构建了一套集成自动识别、精准测量与智能交互的新型测量系统。 该系统通过Ｋ２３０ 模块实现干涉条纹的实时采集与自动计数,结合步进电机闭环控制完成动镜位移的高精度驱动,利用 ＡＩ 模块实现人机交互,支持通过蓝牙将测量数据同步至手机 ＡＰＰ 实现可视化分析。 实验结果表明,系统测量误差≤１.５％,条纹识别响应延迟≤５００ ｍｓ,相较于传统仪器,测量效率和精度有大幅提升。
通过 ＡＩ 技术与经典光学仪器的深度融合,不仅显著提升了实验效率与测量精度,更为物理实验智能化改造及个性化教学提供了参考价值。

光电效应既是大学物理的重要教学内容,也是大学物理实验中的经典实验项目。 针对传统光电效应实体实验仪器调节繁琐、微观过程不可见、数据测量误差较大等问题,本文设计并实现了一套网页端虚拟仿真实验平台。 该平台不仅完整复现了实验装置与测量流程,可完成伏安特性曲线测量、遏止电压拟合与普朗克常量计算等实验内容,还通过动态电子运动视图,直观呈现光子入射、电子逸出与运动形成光电流的微观过程。 教学应用结果表明,该虚拟实验有助于学生深入理解光电效应理论,提升实验教学效果与学生的操作及数据分析能力,可为物理实验教学改革提供参考。

 基于 Ｐｙｔｈｏｎ 编程环境,开发了一套一维弦振动数值仿真程序。 该程序采用时域有限差分法(ＦＤＴＤ)求解包含阻尼项的一维波动方程,实现了不同边界条件和初始条件下弦振动的动态模拟。 通过图形用户界面(ＧＵＩ),用户可灵活设置弦长、张力、线密度、阻尼系数、初始位移、驱动频率和拨弦位置等参数,直观观察驻波形成、吉他弦振动等多种模式,并能生成动画、导出数据和播放声音。 该仿真系统不仅为一维弦振动理论和实验教学提供了可视化、交互式的辅助工具,加深学生对波动方程数值解法及物理现象的理解,还能为弦振动研究提供便捷的探索平台,有效提升学生的科学思维和创新能力。

 双黑洞引力波探测是现代天文学与物理学的重要前沿领域,将其融入大学与中学物理教学有助于激发学生学习兴趣并提升科学素养。 然而,相关内容涉及广义相对论、波的传播与激光干涉等知识,物理图像抽象、过程链条复杂,在课堂教学中存在较大理解难度。 针对上述问题,本研究基于Ｐｙｔｈｏｎ 构建了一套简化而自洽的双黑洞旋近引力波探测模拟,将“双黑洞轨道演化—引力波产生—探测器响应”三个关键物理过程有机整合,并在统一时间轴下进行动态可视化呈现。 该模拟能够展示双黑洞
旋近运动、引力波的时域变化、迈克尔逊干涉仪激光臂长度以及干涉条纹的动态变化,为双黑洞引力波探测原理的课堂教学与探究式学习提供直观、可操作的教学支撑。

立足大学物理教学的核心目标,围绕理论与实验课程的衔接问题展开讨论,从教学内容整合与教学方法创新两方面,构建“理论-实验-拓展”一体化体系,以霍尔效应实验为例,通过情境激发、原理推导、分层实验探究及闭环反思,实现理论与实验的深度融合。 为大学物理课程教学改革提供切实可行的实践方案。

 量子力学不仅是理解材料微观结构与器件物理机制的基石,也是推动新能源材料及器件迈向高效化、智能化及可持续化发展的关键理论工具。 在新工科背景下,许多高校工科专业的量子力学课程正面临学时缩减的现实压力,给教师的教学工作带来了巨大挑战。 如何在有限课时内保障教学质量,并通过科学合理的考核方式引导学生有效学习,已成为量子力学课程教学改革的核心问题。 针对这一问题,本文以“问题导向、精准施策”为原则,开展新能源材料与器件专业中量子力学课程的教学改革探索,目标是在有限学时内推动学生实现从“学会计算”到“学会应用”的根本性转变。

为应对新工科建设对创新人才培养提出的高阶要求,针对传统工程光学课程中存在的重理论、轻实践问题,开展了以学生为中心、面向高阶思维能力与综合实践能力培养的项目制教学改革。其核心是构建并实施了一个以“光纤传感微小位移测量”为代表的综合性教学项目。 通过引导学生完成从光学原理分析、传感器结构设计模拟、光路搭建调试到信号处理与性能评估的全流程。 结果表明,所研制位移传感器的五芯光纤长度为 ２ ｃｍ 时,干涉峰数量适宜,灵敏度达 ０.１６５ ｎｍ/ μｍ,且 ０~５ μｍ范围内位移量与光量线性度高,干涉波峰波长与位移量拟合度为 ０.９９９ １２,测量极限为 ０.１０４ μｍ。 通过项目制教学模式,有效激发了学生的自主学习动力,提升了其在系统设计、工程实践、数据分析和创新应用等方面的综合素养。