关键词： 三维可延展柔性天线   优化设计   力学性能   电磁学性能   屈曲构型  

摘要： 可延展柔性电子已经成为全球电子产业界与学术界关注的焦点。柔性电子可延展设备具有优越的生物相容性，其轻质、可弯曲、可拉伸、功能可重构等特点颠覆性改变了传统固体器件刚性的物理形态，在可穿戴设备和人体生理信号动态采集等方面得到了广泛应用。该类柔性电子器件在工作过程中，常常涉及到器件材料结构的大变形及大应变，这给如何实现可延展柔性电子器件的无线信号高效、稳定的传输带来了挑战，如何解决该问题也显得尤为重要。　　本文以金属贴片天线为研究对象，通过释放柔性基底的预拉伸应变，利用平面金属贴片结构的屈曲变形引导生成三维结构，并发展了相应的三维可延展柔性天线。通过理论和有限元方法分析了三维可延展柔性天线的力学性能和电磁学性能，研究大变形对其电磁学性能的影响。本文的主要研究内容如下：（1）设计了工作频率为 13.56 MHz的三维拱形NFC天线，结果表明在拉伸（＜20%）、弯曲（曲率半径＞6.5 mm）和扭曲（180o）变形下，其谐振频率最大偏移量小于 0.84 MHz，带宽达到 8.25 MHz;（2）设计了工作频率为 2.45GHz 的三维螺旋偶极子天线，其在拉伸（＜20%）、弯曲（曲率半径＞8 mm）和扭曲（180o）变形下，谐振频率最大偏移量小于 0.038 GHz。进一步研发了具有双螺旋结构的可延展柔性天线，有效增加了可延展柔性天线的带宽和辐射效率。同时，在以上大变形状态下，天线金属（铜/金）层的最大应变远远小于其断裂极限。上述结果表明，所发展可延展柔性天线设计具有良好的延展能力和曲面共形能力，可确保大变形状态下信号的稳定传输，为面向人体健康监测的柔性天线设计提供了有效技术支撑。

关键词： 黑洞   热力学   相变   临界点   三相点   准拓扑电磁学  

摘要： 准拓扑电磁学对dyonic黑洞的强引力效应有着重要影响。例如,黑洞周围可以存在三个光子球,但其中两个不稳定,我们希望通过被观测到的黑洞阴影去验证这种行为。从热力学角度看,准拓扑电磁学黑洞的参数较多,应该具有丰富的相结构,其热力学行为值得深入研究。本文在扩展相空间中利用吉布斯方法和麦克斯韦等面积律研究了包含准拓扑电磁学的黑洞的相变和临界行为。在第一章中,我们回顾了扩展相空间的研究历史,介绍了与准拓扑电磁学相关的研究工作,给出了研究动机和全文的内容框架。在第二章中,我们回顾了著名的黑洞热力学四定律,运用几何方法和齐次函数的欧拉定理推导了渐近平直时空和渐近反德西特时空中黑洞的斯马尔公式,随后运用哈密顿方法推导了把宇宙学常数Λ作为变量时的广义第一定律,由此自然引出扩展相空间,扩展相空间中宇宙学常数被当作压强。此外,在扩展相空间中带电反德西特黑洞会发生范德瓦尔斯型相变。在第三章中,我们首先介绍了准拓扑电磁学和这个理论下的四维dyonic反德西特黑洞解。然后我们在扩展相空间中计算得到了dyonic黑洞的斯马尔公式,第一定律和吉布斯自由能。在第四章中,我们固定电荷和磁荷的数值,通过改变耦合参数或的方式研究黑洞相变,我们还描绘了不同情况下的温度-半径图,吉布斯自由能图和压强-温度相图。除了小黑洞与大黑洞之间的相变,dyonic黑洞还会出现三相点的相结构。当三相点出现时,我们描绘了双麦克斯韦等面积律图。特别令人感兴趣的是,在某一参数范围内,出现了两条分离的共存曲线,这是在无准拓扑电磁学时的黑洞中未被发现的一种额外且新颖的相结构。另外,我们列出了不同情况下的约化压强中的各项系数值,并且发现dyonic黑洞的临界指数与平均场理论给出的结果一样。在第五章中,我们仔细考察了麦克斯韦等面积律和吉布斯自由能之间的关系,并引入了双麦克斯韦等面积律,通过这个双麦克斯韦等面积律可以计算三相点的各个热力学量。我们以dyonic黑洞的两种情况为例构建了（双）麦克斯韦等面积律,得到与第四章一致的结果。在第六章中,我们给出了详细的结论,指出了本文研究中需要完善的地方,最后列出了一些在未来值得研究的课题。

关键词： GeoGebra软件   可视化   习题教学   电磁学  

摘要： 随着现代信息技术的飞速发展,信息技术也逐渐进入了物理教育领域,《普通高中物理课程标准(2017年版2020年修订)》中对当前高中物理教学提出了要积极探索信息技术与物理教学的深度融合的课程新要求。GeoGebra软件因其具有强大的绘图功能和动态性的特点,是目前认可度较高的辅助教学软件之一,同时该软件还具有免费、开源、操作简单等优势,因此探究GeoGebra软件辅助下的高中物理教学就具有重要的理论和现实意义。 本文以电磁学习题课教学为例,尝试通过GeoGebra软件去解决物理动态模型教学中存在的两大问题:教师教学时的作图困难和学生学习时的理解困难。首先,在能够熟练掌握该软件的基本操作后,笔者探究了多篇有关GeoGebra软件制作物理教学课件的国内外文献,并在此基础上充分改进和创新,创建了一套较为系统的GeoGebra辅助电磁学习题教学的案例库,并给出了详细的制作过程,案例库中模型稍加改进可适用于大多数电磁学习题。其次,研究信息技术辅助物理习题教学的教学策略和需要遵守的教学原则(信息组块原则、科学性原则、一致性原则、学生主体原则、问题导向原则),并结合物理学科特点、学生的心理发展特点和GeoGebra自身的优势特点,制定一堂课的教学设计。最后,设立实验组和对照组,分别对两组同学进行传统板书的教学和在该软件辅助下的教学,通过前测和后测的形式探究GeoGebra软件对学生物理成绩维度的影响,通过对实验组同学进行问卷调查,探究学生对该软件接受程度、满意度以及学习的效果。 教学实践表明,以GeoGebra软件为代表的现代教育技术,能激发学生的学习兴趣,提升课堂表现力,提高学生接受程度,也可以促进教师提升教学效率,丰富课堂内容,在一定程度上提升学生学习成绩。同时,本文中的课件制作案例和制作过程,也可为一线物理教师提供借鉴。

关键词： 计算电磁学   时域非连续伽略金法   四面体网格生成   计算机仿真  

摘要： 时域非连续伽略金(Discontinuous Galerkin Time Domain,DGTD)法是计算电磁学领域常用的数值仿真方法之一，网格生成作为DGTD数值仿真前处理的重要环节，其产生网格的质量和规模会对后续数值计算产生很大影响。由于电磁模型的几何形状和尺寸特性很复杂，自动生成具有几何和拓扑一致性的网格是一项非常困难且必要的工作。此外，传统四面体网格生成的网格规模较大,求解器占用的计算资源与时间成本较高。因此需要研究保证高质量和有效结果的同时，实现更高仿真效率的四面体网格生成方式。具体地，本文研究了如下3个方面的内容。　　(1)针对DGTD电磁仿真场景的特点，本文实现了一种适用于复杂电磁模型的高质量四面体网格生成算法，重点处理了浮点误差问题，解决了构建单元尺寸场、约束边界恢复和网格细化等核心问题。本文对常规天线模型进行电磁仿真验证，并与商业软件的网格生成结果进行对比分析。网格质量分析证明了本文算法生成网格的总体单元质量较高，可以满足仿真计算高质量网格的需求。　　(2)为降低网格规模并提高仿真效率，本文提出了一种受六面体约束的四面体网格生成方法，构建了用于数据交换的交界面单元，采用了分而治之的分区生成子域网格后再进行合并的策略。电磁案例仿真结果表明:与传统四面体生成方法相比，本文算法在维持高质量网格和高可信计算结果的条件下，可大大降低网格规模、减少计算资源消耗和缩短求解时间。　　(3)为验证本文算法的普适性，本文将两种算法应用于多个不同尺寸的电磁模型，网格质量分析表明两种算法生成的计算网格质量较高;与商业软件相比，本文两种算法的仿真结果也是有高可信度的;计算资源对比表明受六面体约束的四面体网格生成方法能使网格规模更少、计算峰值内存消耗更低和求解时间更短，提高了电磁模型仿真分析的整体效率。

关键词： 深度学习   PBL教学模式   电磁学部分   高中物理  

摘要： 随着社会的进步与发展,教育在不断地革旧图新,新型的教育观念与教育思想层出不穷,旨在培养学生的核心素养,促进学生全面发展。深度学习以原有经验为基础,经过认知加工,批判性地理解新知识,进行有意义知识构建,并使之移入新情境,促进学生能力发展,是学生核心素养发展的一种有效方式。基于问题的学习(Problem-based Learning,PBL)模式将问题作为一种支架,以学生为主体,学生经历教师所创设的真实问题情境,通过联系新旧知识,自主建构知识概念。为了更好的促进学生深度学习的发生,本文将PBL教学模式与高中物理课堂教学有机结合起来,在高中物理课堂中引入PBL教学模式,研究其在物理教育中的应用价值。本文首先梳理深度学习和PBL教学模式相关的国内外文献,对相关概念界定及理论基础进行总结。其次对高中生深度学习现状进行调查,教师访谈,分析影响学生深度学习的原因:学生缺乏学习兴趣,学习动力不足;教学方法单一,缺少情境创设;教学评价单一,学生思维受阻等方面。基于现状分析,构建出基于深度学习的PBL教学流程,将其应用到高中物理课堂。再次,选取成绩相差不大的两个平行班开展对照实验,实验班进行基于深度学习的PBL教学,对照班进行常规教学。以《磁感应强度磁通量》、《磁场对通电导线的作用力》、《运动电荷在磁场中受到的力》为实践案例展示,进行教学干预,在课堂教学完成后以课堂评价单、随堂检测工作单对完成当堂课的效果进行分析。最后,得出结论。从后测成绩检测分析发现PBL教学模式能够促进学生深度学习的发生,学生的问题解决能力得到了提升。从期末成绩分析发现,在期末成绩上无明显差异,说明在进行一段时间的PBL教学,对学生成绩的提升没有太大的影响。通过深度学习后测问卷调查对比分析,发现学生深度学习基本能力的培养也得到了提升,知识建构、知识整合能力、问题解决能力与自我反思能力及批判性思维等方面显著提高,但创新性能力与自我价值观念的形成方面提升幅度较小,这可能与实践时间较短、学生学习的动机等有关。

摘要： 本书针对中学低年级、中年级、高年级三个学段学生的阅读特点与需求，立足中学必备物理知识，内化科学思维方法，重点培养和提升学生的物理学科素养，增强学生解决问题的能力，开阔学生的物理视野，促进学生科学思维水平的实质发展。磁悬浮列车的伟大设计生活物理我们读古诗时常会看到古人折柳送别，依依不舍。

关键词： Inverse scattering   target classification   deep learning   electrically large structures   Optical design   photonic design   generative machine learning   electromagnetic systems   rf design   antenna design   neural networks  

ISBN: (数字)9781119853916;9781119853909 ISBN: (纸本)9781119853893

摘要： Advances in Electromagnetics Empowered by Artificial Intelligence and Deep Learning Authoritative reference on the state of the art in the field with additional coverage of important foundational concepts Advances in Electromagnetics Empowered by Artificial Intelligence and Deep Learning presents cutting-edge research advances in the rapidly growing areas in optical and RF electromagnetic device modeling, simulation, and inverse-design. The text provides a comprehensive treatment of the field on subjects ranging from fundamental theoretical principles and new technological developments to state-of-the-art device design, as well as examples encompassing a wide range of related sub-areas. The content of the book covers all-dielectric and metallodielectric optical metasurface deep learning-accelerated inverse-design, deep neural networks for inverse scattering, applications of deep learning for advanced antenna design, and other related topics. To aid in reader comprehension, each chapter contains 10-15 illustrations, including prototype photos, line graphs, and electric field plots. Contributed to by leading research groups in the field, sample topics covered in Advances in Electromagnetics Empowered by Artificial Intelligence and Deep Learning include:

• Optical and photonic design, including generative machine learning for photonic design and inverse design of electromagnetic systems
• RF and antenna design, including artificial neural networks for parametric electromagnetic modeling and optimization and analysis of uniform and non-uniform antenna arrays
• Inverse scattering, target classification, and other applications, including deep learning for high contrast inverse scattering of electrically large structures

Advances in Electromagnetics Empowered by Artificial Intelligence and Deep Learning is a must-have resource on the topic for university faculty, graduate students, and engineers within the fields of electromagnetics, wireless

关键词： SMD   功率电感   电磁学   直流依赖性   温度效应  

摘要： 由于功率电感拥有低直流电阻、大功率、较好的耐电流的优秀特性,功率电感被广泛应用于智能手机、便捷式电脑行业。但随着工艺尺寸的减小,使用频率范围的逐渐提高,使其容易产生寄生效应,如趋肤效应和邻近效应,因此这便提高了功率电感的建模难度。除此之外,在实际使用过程中,工作环境往往是不稳定的,容易影响到功率电感的工作特性。例如,由于绕线功率电感的工作电流不恒定,导致其磁芯的磁通量发生变化,进而发生磁化,表现出直流依赖性;另一方面,温度的变化会影响磁芯的导磁率,电感量也会随之变化,表现出温度依赖性。在当前电感模型的研究领域中,虽然存在着考虑了直流依赖性的模型研究或者考虑了温度依赖性的模型研究,但在实际使用情况中,直流偏置和温度的影响往往是同时存在的。因此,分析非线性功率电感的工作特性,研究其非线性行为机理并搭建高精度的非线性电感模型库成为了一个非常重要的任务。本文对非线性功率电感模型的行为机理、器件模型和参数提取进行深入的分析,在静态模型的基础上,考虑非线性功率电感模型关注的直流依赖性和温度依赖性。文章的主要工作如下:(1)首先介绍了电磁学理论的相关知识,主要是围绕着电流与磁场的关系进行介绍,为后续非线性功率电感模型的研究奠定基础。(2)接着在电感的静态等效电路中主要考虑了器件存在的自感、互感、分布电容,以及损耗机制。对比目前常用的磁珠和射频电感的等效电路模型,推出功率电感的等效电路模型。在静态模型的基础上通过添加受控电流源,从而反映电子元器件在直流偏置时所发生的特性变化。本文也研究了温度依赖性,通过对测试数据的参数提取获得相应的温度影响系数。由此推出了本文所使用的静态模型、动态模型、温度模型。(3)介绍了二端口网络矩阵参数的定义,主要推导了各网络矩阵之间的转化公式,为参数提取做准备。在测试数据的基础上,提出了合理的去嵌方式、参数提取,以及建模流程。根据频率特性曲线、直流特性曲线、温度特性曲线,对模型的提取流程做了进一步的优化,获得更精准的非线性功率电感模型。(4)对静态模型、动态模型、温度模型分别进行验证,比较仿真结果与测试数据,对比频率特性曲线、直流特性曲线、温度特性曲线,验证模型参数提取的可行性与准确性,最后基于ADS提出了一种优化方案。

关键词： 思维导图   高中物理电磁学   物理教学   科学思维  

摘要： 物理学科核心素养要求学生不再停留在知识记忆层面,而是强调学生在学习过程中能够积极主动的参与进来,为思维而教学是目前高中物理学科教育的重要目标。如何更好地引导学积极主动地参与到学习中来,如何更好地培养学生的思维发展,如何更快地帮助学生从物理学习走向社会生活,是当今教学过程中物理教师应该着重思考的问题。随着各种现代技术走入课堂,物理教学的形式变得日渐丰富,教学手段不断开发,使得物理课程充满了新鲜的生命力。将思维导图应用到物理教学中,帮助学生发展学科核心素养,建立物理观念,培养学生的科学思维,在物理学中寻找美和发现美,建立起完整的物理学知识体系。针对以上的分析,本文将分为以下几个部分:1.通过查阅文献、探讨思维导图的发展历史和国内外思维导图的发展现状,确定研究方法和内容,明确研究的主题和意义。2.结合思维导图的理论基础阐述思维导图的基本含义,对思维导图在教学过程中的作用进行分析,从而借助相应的软件或手绘,准确地把握思维导图的绘制方法。3.以某高中的学生和教师为研究对象,采用问卷调查的研究方法,调查师生对于思维导图的认识情况和在物理教学中思维导图的使用情况,分析调查结果得出相应结论。4.分析电磁学部分的知识在高中物理知识体系中的重要地位和特点,介绍思维导图在高中电磁学部分的教学原则和教学策略,将思维导图与物理教学更好地结合,以此提高教学效率。5.构建将思维导图应用于课前预习、教学设计、课后复习和解决习题等不同教学环节的应用案例,尝试解决传统授课方式中的种种弊端所导致的学生学习效率低下,丧失学习主动性的问题。

关键词： 模型   中美高中物理教科书   比较研究   文本分析  

摘要： 近年来,模型与建模成为国际科学教育重点关注内容之一。教科书是教师设计和实施教学的依据,是学生参与学习的重要资料,教科书中知识的表征方式直接影响物理教与学的效果,所以对教科书的研究处于较为重要的地位。本文将中美两国高中物理教科书电磁学专题模型进行比较分析,以了解不同国家物理教科书关于模型表征的现状特点,将会有助于发挥模型在培养学生物理核心素养上的价值。本研究选取新人教版高中教科书《物理》和美国高中物理教科书《物理:原理与问题(第二版)》电磁学专题作为研究对象,广泛查阅文献,对模型的定义、类型等相关概念进行梳理和界定。本文基于文献研究确定模型分类体系。从电磁学专题入手,比较中美高中物理教科书中模型表征的特点,挖掘中美高中物理教科书在此专题中模型呈现的共性和个性特征,根据研究工具对模型的类型和数量进行统计、比较。最后进行典型案例分析,说明教科书怎么利用模型表征实现物理教学,引导学生建构物理概念。研究发现:(1)两国教科书在模型数量上,中版多于美版,中版的模型密度多于美版(模型个数与知识点个数之比),中版呈现知识点时所用模型更加丰富。(2)两国教科书在模型类型上,九种类型的模型出现的整体趋势比较相似。中美双方都是特征示意模型、数学模型和理论模型频数占比较高,两国均重视使用文字、数学工具和图像学习概念。均未涉及关系示意图模型,这取决于这一专题知识类型并不涉及物理概念或物质之间(状态)的相互(转化)关系。(3)整体上,中美在电磁学专题模型的类型和数量存在显著差异性(P<0.05),其中,静电模块、电场模块和恒定电流模块在模型的类型和数量不存在显著差异性(P>0.05),磁场模块和电磁感应模块在模型的类型和数量存在显著差异性(P<0.05)。(4)从典型案例看,中美教科书不同类型模型展现方式基本相同,其选取的原型易得易见,皆擅长通过多个多类模型表征知识。