胡海云 繆勁松 茍秉聰

(北京理工大學(xué)物理系,北京 100081)

結(jié)合工程實(shí)例推進(jìn)工科物理教學(xué)改革

胡海云 繆勁松 茍秉聰

(北京理工大學(xué)物理系,北京 100081)

在理工科大學(xué)物理的教學(xué)中,引入工程實(shí)例可以促進(jìn)學(xué)生愛學(xué)物理、會(huì)做物理、善用物理.物理教師應(yīng)遵循辯證唯物主義的認(rèn)識規(guī)律,結(jié)合適當(dāng)?shù)墓こ虒?shí)例來引入物理概念、定義,講解物理定理、公式,處理物理應(yīng)用問題,培養(yǎng)學(xué)生解決問題和分析問題的能力.

工程實(shí)例;工科物理;教學(xué)改革

大學(xué)物理是理工科高等學(xué)校重要的公共基礎(chǔ)課,在培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)的思想方法、創(chuàng)新能力、理論聯(lián)系實(shí)際能力、工程實(shí)踐能力等方面的作用毋庸置疑.為此,我們在大學(xué)物理教學(xué)中應(yīng)將創(chuàng)新的理念和創(chuàng)新意識貫穿到每一個(gè)教學(xué)環(huán)節(jié)中.引入工程實(shí)例,結(jié)合物理在工程技術(shù)中的應(yīng)用進(jìn)行教學(xué)改革,是我們近幾年在大學(xué)物理教學(xué)中的一種嘗試,目的是讓學(xué)生體會(huì)物理學(xué)在工程技術(shù)中的應(yīng)用價(jià)值,激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,培養(yǎng)思考問題、解決問題的能力,樹立工程意識,從而提高學(xué)生的綜合素質(zhì).下面著重給出幾個(gè)教學(xué)實(shí)例:

實(shí)例一 旋轉(zhuǎn)測試試驗(yàn)爆炸事故

我們在力學(xué)部分講解剛體轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)能時(shí),將1985年初美國實(shí)驗(yàn)設(shè)備公司進(jìn)行旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)時(shí)發(fā)生的一起爆炸事故[1,2]作為一個(gè)案例來分析.

長期要經(jīng)歷高速轉(zhuǎn)動(dòng)的工業(yè)壓縮機(jī)、機(jī)床、醫(yī)療離心機(jī)、高速電動(dòng)機(jī)、噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)等大型機(jī)械部件要在一種旋轉(zhuǎn)測試系統(tǒng)(見圖1)中測驗(yàn)其損壞的可能性.這種系統(tǒng)是一個(gè)由鉛磚襯套構(gòu)成的圓筒裝置,它被包在鋼殼中并用一個(gè)蓋子蓋嚴(yán)封死.待試部件就放在圓筒中被帶著旋轉(zhuǎn)起來(達(dá)到高速).如果由于轉(zhuǎn)動(dòng)使部件損壞時(shí),碎片就會(huì)嵌到軟的鉛磚內(nèi)而被用來分析損壞的情況.

圖1 旋轉(zhuǎn)測試系統(tǒng)[2]

1985年初,實(shí)驗(yàn)設(shè)備公司做了一個(gè)質(zhì)量 M=272kg和半徑 R=38.0cm的實(shí)心鋼轉(zhuǎn)子(一圓盤)樣品的旋轉(zhuǎn)試驗(yàn).當(dāng)樣品達(dá)到 n=14000rev/min的轉(zhuǎn)速時(shí),實(shí)驗(yàn)工程師們聽到從安置在低一層樓并隔一個(gè)房間的試驗(yàn)系統(tǒng)發(fā)出的一聲重?fù)舻膼烅?經(jīng)過檢查,他們發(fā)現(xiàn)鉛磚已被拋向通向?qū)嶒?yàn)室的走道里,房間的門已被扔到附近的停車場上,一塊鉛磚已從試驗(yàn)臺飛出打穿了和鄰居廚房相隔的墻,實(shí)驗(yàn)大樓的結(jié)構(gòu)墻已被損壞,旋轉(zhuǎn)室的混凝土地面被強(qiáng)推掉了約0.5cm厚的一層,那900kg的蓋被向上摔穿透天花板并回落砸在實(shí)驗(yàn)裝備上(圖2).只是由于幸運(yùn),爆炸碎片才沒有穿透實(shí)驗(yàn)工程師們的房間.我們提出的問題是:轉(zhuǎn)子爆炸時(shí)釋放了多少能量?結(jié)果是可視為圓盤的一個(gè)轉(zhuǎn)子剛達(dá)到14000rev/min的轉(zhuǎn)速時(shí)的轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)能為2.1×107J:所釋放的能量接近一個(gè)炸彈的爆炸一樣.附帶著向同學(xué)介紹,爆炸并不是非要在燃燒的情況下才能發(fā)生的.比如家庭里利用高壓鍋煮食物,如果高壓鍋的安全閥小孔被堵塞住的話,那么鍋里產(chǎn)生的大量水蒸氣無路可走,就可能將鍋脹破,發(fā)出砰然轟響,這也是爆炸.又如,原子核發(fā)生裂變時(shí)會(huì)放出巨大的能量,如果對原子核發(fā)生裂變的連鎖反應(yīng)不加控制,那樣產(chǎn)生的能量將是極為可觀的.

圖2 旋轉(zhuǎn)測試系統(tǒng)爆炸前后的場景[2]

實(shí)例二 巧克力碎屑的秘密[1]

在靜電場一章講解完高斯定理后,介紹了20世紀(jì)70年代曾發(fā)生震驚世界的巧克力倉爆炸事故.近幾十年類似的粉塵爆炸事故在世界各地屢有發(fā)生,有些則是由靜電放電(火花)點(diǎn)燃而引起的[3].這是因?yàn)榉蹓m在加工、輸送、儲(chǔ)存、收集過程中易積累大量的靜電.在工廠,工人們通常把新送到的粉末袋卸空到送料的料箱中,粉末由料箱下方流出,被鼓風(fēng)機(jī)吹走,通過接地的聚氯乙烯管道送到貯倉內(nèi)儲(chǔ)存(圖3).在有巧克力粉末流的聚氯乙烯管道的某處,爆炸應(yīng)滿足條件:電場強(qiáng)度的大小變?yōu)?.0×106N/C或更大,以至它能發(fā)生電擊穿因而產(chǎn)生火花.假設(shè)帶負(fù)電的巧克力碎屑粉末流被吹過半徑 R=5.0cm的聚氯乙烯管道,粉末及其電荷被均勻地以電荷密度ρ=-1.1×10-3C/m3散布在管道中(這在餅干廠是有代表性的).(1)求管道中的電場強(qiáng)度大小;(2)火花會(huì)出現(xiàn)嗎?如果會(huì),在哪里?第一問是要用高斯定理,近似求出作為離管道中心徑向距離的函數(shù)的電場強(qiáng)度的大小的表達(dá)式第二問是要求電場強(qiáng)度的最大值由于該值≥3.0×106(N/C),故火花會(huì)出現(xiàn)在r=R處.

圖3 將巧克力碎屑卸入貯倉示意圖

講完電勢之后,再接著分析討論(3)求管道中的電勢(設(shè)在接地的管壁上電勢為零);(4)管道中心與其內(nèi)壁之間的電勢差是多少?答案分別是:

講完電容器后,又接續(xù):作為對餅干爆炸的部分調(diào)查,當(dāng)工人們把巧克力碎屑粉末袋卸空到送料箱中并攪起圍繞它們的粉塵時(shí),曾測過它們的電勢.每個(gè)工人相對于被取作零電勢的地面約有7.0kV的電勢.(5)假定每個(gè)工人實(shí)際等效于一具有典型電容200pF的電容器,求該等效電容器所儲(chǔ)存的能量.(6)如果工人與任一接地的導(dǎo)體之間的一個(gè)單一的火花能使工人帶的電中和,則那個(gè)能量將傳送給火花.根據(jù)測量,能點(diǎn)燃巧克力碎屑粉塵云,并從而引起爆炸的火花必須至少有150mJ的能量.來自工人的火花能夠引起在送料箱里粉塵云的爆炸嗎?由電容器貯能公式即可知W =CU2/2=4.9×10-3(J)＜＜150(mJ),因而來自工人的火花不能夠引起在送料箱里粉塵云的爆炸.

最后進(jìn)一步討論:巧克力碎屑粉末以均勻的速率 v=2.0m/s和均勻的電荷密度ρ=1.1×10-3C/m3通過半徑為 R=5.0cm的管道運(yùn)動(dòng)到貯倉.(7)求出通過管道垂直橫截面的電流 I.(8)當(dāng)粉末從管道流進(jìn)貯倉時(shí),粉末的電勢改變了.那個(gè)改變的大小至少等于管道內(nèi)的徑向電勢差(如前所估算的7.76×104V).求當(dāng)粉末離開管道時(shí)能量從粉末轉(zhuǎn)移到火花的轉(zhuǎn)移率 P.(9)如果火花確實(shí)發(fā)生在出口處且持續(xù)2.0s(合理的期望值),則多少能量W已被轉(zhuǎn)移成火花?(10)回想在前面曾提到,要引起爆炸至少需要轉(zhuǎn)移150mJ的能量,粉末爆炸可能發(fā)生在哪里?在卸料箱的粉末云中(前面所考慮的);在管道內(nèi),還是在管道進(jìn)入貯倉的出口處?實(shí)際對上面的解答并不難,分別有:I= ρ πR2v=1.73 ×10-5(A);P=IU=1.34(W);W=Pt=0.268(J)＞150(mJ);粉末爆炸可能發(fā)生在管道進(jìn)入貯倉的出口處.

實(shí)例三 心臟病發(fā)作還是觸電致死[1]

先從故事講起:一個(gè)上午,一位男士從野餐地點(diǎn)赤腳走開到靠近輸電線支撐塔的濕地上(圖4).他突然倒下.他在餐桌處的親屬看見他跌倒并且在幾秒后跑到他那里時(shí),發(fā)現(xiàn)他處于心室纖維性顫動(dòng)中.這個(gè)人在急救隊(duì)帶著除顫設(shè)備到達(dá)之前就死去了.以后該家族對電力公司提出法律訴訟,聲稱遇難者由于支撐塔的意外電流泄漏而觸電致死.設(shè)想你被聘為法庭辯論團(tuán)的成員去調(diào)查死亡事件.死亡是因心臟病發(fā)作還是觸電造成的?

圖4 跨步電壓示意圖

電力公司的調(diào)查記錄揭示,在那天上午在該塔確實(shí)有漏電故障,電流 I=100A從一根桿漏入地面約達(dá)1秒鐘,該桿的下端為具有半徑 b=1.0cm的球形.假定電流均勻地(半球狀地)傳入地面,地的電阻率為ρ=100Ω·m,而遇難者距桿的距離為 r=10m,求在遇難者的位置:(1)電流密度J;(2)電場強(qiáng)度的大小 E;(3)在桿的下端與遇難者之間的電勢差U表達(dá)式;(4)如圖4所示,電流向上通過遇難者一只腳,橫過其軀干(包括心臟),并向下通過另一只腳的導(dǎo)電通路.假定一只腳比另一只腳更靠近漏電的桿 0.50m,由給定的數(shù)據(jù),試求這個(gè)人雙腳之間的電勢差;(5)假定在濕地上一只腳的電阻為 300Ω的典型值,而軀干內(nèi)部的電阻為 1000Ω的一般認(rèn)可值,那么通過遇難者軀干的電流 Ib有多大?(6)通過軀干的0.10A到 1.0A的電流能使心臟進(jìn)入纖維性顫動(dòng).遇難者的纖維性顫動(dòng)是由該桿所泄漏的電流造成的嗎?

求解簡要如下:

(2)E=ρJ=16(V/m);

(5)Ib=U/R=4.975(mA);

(6)遇難者的纖維性顫動(dòng)不是由泄漏的電流造成的.

同時(shí)指出,在低壓電網(wǎng)中的各種電器的非帶電的金屬部分,如電動(dòng)機(jī)、洗衣機(jī)、電冰箱等電器的金屬外殼,在正常運(yùn)行情況下,由于絕緣物的隔絕,人碰觸并不危險(xiǎn).但因種種原因,例如運(yùn)行時(shí)間過久、絕緣老化、受潮、受損,絕緣物失去絕緣作用發(fā)生漏電時(shí),該用電設(shè)備將會(huì)以故障電流入地點(diǎn)為圓心,形成電場圓.若此時(shí)有人在電場圓內(nèi)行走,人的兩腳之間將產(chǎn)生電勢差,這就是我們平時(shí)所說的跨步電壓.這種由于跨步電壓引起的觸電,就是間接接觸觸電的一種.通過這個(gè)例子,也教育了學(xué)生不接觸低壓帶電體,不靠近高壓帶電體,不用手誤觸各種帶電體的裸露處,不用濕手接觸電器開關(guān),不在電線上晾曬衣物等.

我們認(rèn)為,為了激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣,培養(yǎng)學(xué)生思考問題、解決問題的能力,工程實(shí)例的選擇上一定要有吸引力,與教學(xué)知識點(diǎn)高度相關(guān),能夠引起學(xué)生對理論學(xué)習(xí)的注意和重視,讓學(xué)生對知識的應(yīng)用有切實(shí)的體會(huì),感到確實(shí)學(xué)有所用.

工程實(shí)例也并非隨意拈來的例子,高質(zhì)量的實(shí)例是教學(xué)成功的關(guān)鍵.實(shí)例可以是針對一個(gè)知識點(diǎn),或是將相對零散的知識點(diǎn)緊密地聯(lián)系起來,便于學(xué)生對知識點(diǎn)的整體把握.而且有一定的挑戰(zhàn)性,使學(xué)生在解決問題后有一種成就感.

在教學(xué)中選擇實(shí)例時(shí)還必須注意一個(gè)問題:這些例子最好是“真實(shí)”,而不是“假想”的或是人為“設(shè)計(jì)”的,否則容易與實(shí)際脫節(jié),達(dá)不到預(yù)想的效果.我們的實(shí)例很多是來自科技新聞或文獻(xiàn)以及國外優(yōu)秀教材.這就要求我們教師處處留心,有意積累,拓展視野,及時(shí)跟蹤科學(xué)技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用,廣泛地收集相關(guān)的實(shí)際案例.

[1] D.Halliday,R.Resnick,J.Walker,著.《物理學(xué)基礎(chǔ)(Fudamentals of Physics)》(第 6 版).張三慧 ,李椿等譯.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2005

[2] H.Sonnichsen.Ensuring Spin Test Safety.Mechanical Engineering,115(12):72～76,1993

[3] 王萬玉.靜電放電點(diǎn)燃粉塵能力探討[J].安全,1994,(3):1～3

2010-10-12)