結合工程實例推進工科物理教學改革

胡海云 繆勁松 茍秉聰

(北京理工大學物理系,北京 100081)

結合工程實例推進工科物理教學改革

胡海云 繆勁松 茍秉聰

(北京理工大學物理系,北京 100081)

在理工科大學物理的教學中,引入工程實例可以促進學生愛學物理、會做物理、善用物理.物理教師應遵循辯證唯物主義的認識規律,結合適當的工程實例來引入物理概念、定義,講解物理定理、公式,處理物理應用問題,培養學生解決問題和分析問題的能力.

工程實例;工科物理;教學改革

大學物理是理工科高等學校重要的公共基礎課,在培養學生科學的思想方法、創新能力、理論聯系實際能力、工程實踐能力等方面的作用毋庸置疑.為此,我們在大學物理教學中應將創新的理念和創新意識貫穿到每一個教學環節中.引入工程實例,結合物理在工程技術中的應用進行教學改革,是我們近幾年在大學物理教學中的一種嘗試,目的是讓學生體會物理學在工程技術中的應用價值,激發學生的學習興趣,培養思考問題、解決問題的能力,樹立工程意識,從而提高學生的綜合素質.下面著重給出幾個教學實例:

實例一 旋轉測試試驗爆炸事故

我們在力學部分講解剛體轉動動能時,將1985年初美國實驗設備公司進行旋轉試驗時發生的一起爆炸事故[1,2]作為一個案例來分析.

長期要經歷高速轉動的工業壓縮機、機床、醫療離心機、高速電動機、噴氣發動機等大型機械部件要在一種旋轉測試系統(見圖1)中測驗其損壞的可能性.這種系統是一個由鉛磚襯套構成的圓筒裝置,它被包在鋼殼中并用一個蓋子蓋嚴封死.待試部件就放在圓筒中被帶著旋轉起來(達到高速).如果由于轉動使部件損壞時,碎片就會嵌到軟的鉛磚內而被用來分析損壞的情況.

圖1 旋轉測試系統[2]

1985年初,實驗設備公司做了一個質量 M=272kg和半徑 R=38.0cm的實心鋼轉子(一圓盤)樣品的旋轉試驗.當樣品達到 n=14000rev/min的轉速時,實驗工程師們聽到從安置在低一層樓并隔一個房間的試驗系統發出的一聲重擊的悶響.經過檢查,他們發現鉛磚已被拋向通向實驗室的走道里,房間的門已被扔到附近的停車場上,一塊鉛磚已從試驗臺飛出打穿了和鄰居廚房相隔的墻,實驗大樓的結構墻已被損壞,旋轉室的混凝土地面被強推掉了約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驗裝備上(圖2).只是由于幸運,爆炸碎片才沒有穿透實驗工程師們的房間.我們提出的問題是:轉子爆炸時釋放了多少能量?結果是可視為圓盤的一個轉子剛達到14000rev/min的轉速時的轉動動能為2.1×107J:所釋放的能量接近一個炸彈的爆炸一樣.附帶著向同學介紹,爆炸并不是非要在燃燒的情況下才能發生的.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,那么鍋里產生的大量水蒸氣無路可走,就可能將鍋脹破,發出砰然轟響,這也是爆炸.又如,原子核發生裂變時會放出巨大的能量,如果對原子核發生裂變的連鎖反應不加控制,那樣產生的能量將是極為可觀的.

圖2 旋轉測試系統爆炸前后的場景[2]

實例二 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70年代曾發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生,有些則是由靜電放電(火花)點燃而引起的[3].這是因為粉塵在加工、輸送、儲存、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,被鼓風機吹走,通過接地的聚氯乙烯管道送到貯倉內儲存(圖3).在有巧克力粉末流的聚氯乙烯管道的某處,爆炸應滿足條件:電場強度的大小變為3.0×106N/C或更大,以至它能發生電擊穿因而產生火花.假設帶負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)求管道中的電場強度大小;(2)火花會出現嗎?如果會,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的電場強度的大小的表達式第二問是要求電場強度的最大值由于該值≥3.0×106(N/C),故火花會出現在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(設在接地的管壁上電勢為零);(4)管道中心與其內壁之間的電勢差是多少?答案分別是:

講完電容器后,又接續:作為對餅干爆炸的部分調查,當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,曾測過它們的電勢.每個工人相對于被取作零電勢的地面約有7.0kV的電勢.(5)假定每個工人實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存的能量.(6)如果工人與任一接地的導體之間的一個單一的火花能使工人帶的電中和,則那個能量將傳送給火花.根據測量,能點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的管道運動到貯倉.(7)求出通過管道垂直橫截面的電流 I.(8)當粉末從管道流進貯倉時,粉末的電勢改變了.那個改變的大小至少等于管道內的徑向電勢差(如前所估算的7.76×104V).求當粉末離開管道時能量從粉末轉移到火花的轉移率 P.(9)如果火花確實發生在出口處且持續2.0s(合理的期望值),則多少能量W已被轉移成火花?(10)回想在前面曾提到,要引起爆炸至少需要轉移150mJ的能量,粉末爆炸可能發生在哪里?在卸料箱的粉末云中(前面所考慮的);在管道內,還是在管道進入貯倉的出口處?實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);粉末爆炸可能發生在管道進入貯倉的出口處.

實例三 心臟病發作還是觸電致死[1]

先從故事講起:一個上午,一位男士從野餐地點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,發現他處于心室纖維性顫動中.這個人在急救隊帶著除顫設備到達之前就死去了.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.設想你被聘為法庭辯論團的成員去調查死亡事件.死亡是因心臟病發作還是觸電造成的?

圖4 跨步電壓示意圖

電力公司的調查記錄揭示,在那天上午在該塔確實有漏電故障,電流 I=100A從一根桿漏入地面約達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)電場強度的大小 E;(3)在桿的下端與遇難者之間的電勢差U表達式;(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,由給定的數據,試求這個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,而軀干內部的電阻為 1000Ω的一般認可值,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的電流能使心臟進入纖維性顫動.遇難者的纖維性顫動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不是由泄漏的電流造成的.

同時指出,在低壓電網中的各種電器的非帶電的金屬部分,如電動機、洗衣機、電冰箱等電器的金屬外殼,在正常運行情況下,由于絕緣物的隔絕,人碰觸并不危險.但因種種原因,例如運行時間過久、絕緣老化、受潮、受損,絕緣物失去絕緣作用發生漏電時,該用電設備將會以故障電流入地點為圓心,形成電場圓.若此時有人在電場圓內行走,人的兩腳之間將產生電勢差,這就是我們平時所說的跨步電壓.這種由于跨步電壓引起的觸電,就是間接接觸觸電的一種.通過這個例子,也教育了學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,不在電線上晾曬衣物等.

我們認為,為了激發學生的學習興趣,培養學生思考問題、解決問題的能力,工程實例的選擇上一定要有吸引力,與教學知識點高度相關,能夠引起學生對理論學習的注意和重視,讓學生對知識的應用有切實的體會,感到確實學有所用.

工程實例也并非隨意拈來的例子,高質量的實例是教學成功的關鍵.實例可以是針對一個知識點,或是將相對零散的知識點緊密地聯系起來,便于學生對知識點的整體把握.而且有一定的挑戰性,使學生在解決問題后有一種成就感.

在教學中選擇實例時還必須注意一個問題:這些例子最好是“真實”,而不是“假想”的或是人為“設計”的,否則容易與實際脫節,達不到預想的效果.我們的實例很多是來自科技新聞或文獻以及國外優秀教材.這就要求我們教師處處留心,有意積累,拓展視野,及時跟蹤科學技術的發展及應用,廣泛地收集相關的實際案例.

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

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

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

2010-10-12)