“大學物理”教學緊貼軍事應用的探索和實踐*

陳 宏 張世全

(武警工程大學基礎部 陜西 西安 710086)

1 引言

軍校是培養高素質現代軍事指揮官的搖籃.能否培養具有“能打仗、打勝仗” 的合格軍事人才，是衡量軍校辦學水平高低和質量好壞的唯一標準與尺度.不同于普通高等教育，軍事院校教育應具有軍事特色，其實質是通過軍事、科技、人文相結合的教育，為初級指揮軍官打好寬廣厚實的科學文化基礎和堅實過硬的軍事素質，增強可持續發展的能力，培養具有大學本科學歷和具有基本軍事素質，能適應現代化戰爭需求的指揮軍官[1].在大學物理教學中緊貼軍事應用是實現新時期軍事教育培養目標的重要舉措.因此，按照軍隊院校教育教學的要求，教員要樹立為戰育人的鮮明導向，向教戰、研戰發力，充分發揮軍校資源集中、技術集中的優勢，瞄準實戰化標準實施教學，為實現院校教育與部隊訓練有效對接、實現課堂與戰場有效對接提供有力支撐，進而實現院校教育、部隊訓練和軍事職業教育相結合的“三位一體”，新型軍事人才培養體系[2].

以物理學的基礎知識、基本理論、基本思想和基本方法為主體內容的大學物理課程是軍隊院校教育本科學員的一門必修的核心基礎課[3].作為軍校物理教員，一是要從思想上高度重視大學物理教學緊貼軍事應用，真正使大學物理教學貼近部隊、貼近實戰；二是要在物理教學中將物理軍事應用案例恰如其分地引入到課堂教學中去.

2 軍隊院校大學物理課程教學現狀分析

目前軍隊院校大學物理教學中存在的問題，具體表現為以下幾個方面：首先，從事大學物理教學的年輕教員對大學物理教學與軍事應用的關系存在著模糊認識，對大學物理教學緊貼軍事應用的重要性認識不足；其次，大學物理教學與部隊訓練嚴重脫節，“軍味”不足，教員對學員和部隊的需求了解不夠，實際教學中很少將物理知識與現代化軍事技術相聯系并進行拓展；第三，部分學員在學習中不同程度地存在“文化課無用說”“物理無用說”的思想，導致學習大學物理的積極性不高，學習動力不足等問題.因此，大學物理教學要力求改變基礎理論與軍事應用相脫節的現狀，大學物理課程緊貼軍事應用勢在必行.

3 大學物理教學緊貼軍事應用的探索與實踐

為了實現大學物理教學緊貼軍事應用的教學理念，我們從以下幾個方面進行了探索與實踐.

3.1 加強教員隊伍建設 打牢大學物理教學緊貼軍事應用的隊伍基礎

軍隊院校文化課教育要按照戰爭和部隊的發展要求，全面打牢學員的科學文化課基礎素質，鍛造合格的軍地通用軍事人才“毛坯”.所以，教員深入了解部隊所需和學員所需，是實現大學物理教學緊貼軍事應用的前提.

(1)教員是學員學習的指導者和幫助者，利用指導學員學習的機會了解學員學習所需、專業所需、部隊所需.做到有的放矢，因材施教，從而為大學物理教學緊貼軍事應用尋找貼近口.

(2)按照“學科交叉、知識融合、教學相長”的原則，在大學物理教學中，教員要以“互聯網+教育”“人工智能+教育”的新時代現代化教育模式為契機，隨時做好為自身充電的準備.不但要精通大學物理知識，還要涉獵人文知識，注重交叉學科知識的學習.例如，要加強軍事理論、軍校教育理論和軍事前沿等知識的學習.

(3)實行教員部隊代職培訓，使教員從實踐中更多地了解部隊現代化建設和實踐的需求，了解大學物理在軍事技術中的實際應用，為大學物理課程緊貼軍事應用打下堅實的基礎.其中，更為重要的是要加大文職人員部隊培訓的力度.文職人員畢業于地方大學，沒有經過正規的部隊訓練，軍事技術更是知之甚少，在大學物理教學中更難貼近軍事應用，更難把握物理知識在軍事技術中的應用.所以加大文職教員部隊培訓的力度是實現大學物理課程緊貼軍事應用、增強教學針對性的重要環節.

3.2 挖掘物理知識與軍事應用之間的聯系 促使大學物理教學緊貼軍事應用落地生根

要把大學物理教學緊貼軍事應用落到實處，就要求教員在日常的教學中注重挖掘物理知識與軍事應用之間的聯系.眾所周知，物理學的每一次新發現，每一個新理論的建立，都對科學技術的發展和人類文明的進步有著巨大的推動作用，我們發現，先進的科學理論和技術手段越來越迅捷地應用于軍事技術領域，大學物理各篇章中的知識，無不緊密地聯系著軍事技術應用的各個領域.

在教學實踐中，我們從大學物理課程中的力學、熱學、電磁學、光學、近代物理等5個篇章中，挖掘了一些緊貼軍事應用的典型案例或實例，例如火炮的彈道原理、槍械消音器、電磁軌道炮、軍用望遠鏡、噴氣式飛機尾噴管等.要求學員運用所學物理知識加以分析解釋和解決問題.在教學過程中通過提供軍事應用、分析應用、解決問題的模式，不僅使學員深刻理解了所學物理知識，而且從思想上讓學員體會到物理學的應用之廣，消除“物理無用”的錯誤思想.使大學物理教學進一步向部隊靠攏，向實戰聚焦.

3.2.1 力學教學緊貼軍事應用

力學是研究物質機械運動規律的科學.它與人們的日常生活緊密聯系，在軍事活動中更是離不開力學知識.

例如，在力學部分運動學的教學中，用拋體運動來研究忽略空氣阻力時火炮的外彈道理論.如圖1所示，根據斜拋運動的運動學規律，即

(1)

其中h為炮彈的射高，s為炮彈的射程，v0為炮彈的初速度，θ為炮彈的發射角，g為重力加速度.

圖1 斜拋物線

由式(1)可知，在不考慮空氣阻力情況下的彈道曲線與炮彈的初速度和發射角度有關.在軍事應用中，根據上述運動規律，按照火炮遂行任務要求不同，可將火炮分為加農炮、迫擊炮、榴彈炮等.其中，加農炮低發射角射擊，彈道低伸，發射速度大于音速，主要遂行任務用于垂直目標、裝甲目標和遠距離目標；迫擊炮發射角大，可接近85°，射高遠遠大于射程，發射速度小，主要遂行任務用于打擊遮蔽物后和反斜面上的目標；榴彈炮發射角約為45°，彈道彎曲，主要遂行任務用于殲滅敵方有生力量，打擊遮蔽物后的目標和水平目標[4].

又如，在講解動量定理的時候，為了讓學員更好地理解動量是反映機械運動傳遞本領的一個物理量，理解動量定理的物理意義，并能夠更好地利用已有的物理知識解決或解釋實際現象.筆者在教學過程的最后以軍事實例設置如下的作業.

美國隱形戰略轟炸機“B-1”剛研制出來時，進行空中飛行訓練，當掠過一個湖泊時，飛機突然失控，一頭墜毀在湖對面的岸上.調查結果是，一只重6.8 kg的鵜鶘“擊落”了飛機[4].請查詢相關資料分析其中的物理原理.

這樣的課堂教學模式，既體現了“教員為導，學員為主”的教學理念，又將枯燥的物理知識緊密地貼近了軍事應用，極大地調動了學員學習大學物理的積極性.

3.2.2 熱學教學緊貼軍事應用

熱學是研究熱現象的特性和規律的物理學分支，它起源于人類對冷熱現象的探索.熱學知識在軍事中的應用實例不勝枚舉.例如，在講到氣體絕熱膨脹時，我們可以將其與槍械消音器的工作原理相聯系.

槍聲的來源主要是火藥爆炸時產生大量的高溫、高壓氣體，這些氣體推動彈頭從槍膛內射出時，就像拔出瓶塞一樣，子彈后面的高壓氣體會在槍口突然激烈膨脹，引起空氣振動而發出“砰”的一聲巨響，這就是槍聲.

消音器內部結構是以隔板分隔成多個腔室，如圖2所示.

圖2 消音器內部結構圖

當高溫高壓氣體從槍口噴出，進入消音器后，遇到第一個腔室，子彈后面高溫高壓的氣體就在這里絕熱膨脹，對外做功，氣體的內能大量減少，壓力和溫度迅速降低.氣體的溫度降低量為

(2)

式中A′為氣體對外做功的大小，ν為氣體的摩爾數，CV為氣體的等體摩爾熱容量.可見對外做功直接引起溫度的降低.同時，由絕熱方程

(3)

(式中，P,T分別為氣體壓強和溫度，γ為氣體的比熱容比，γ>1，C為常數)可知，溫度降低時壓強也隨之降低.

子彈最終通過消音器的洞口時，已經過多個腔室的絕熱膨脹，氣體的壓強和溫度已經大大降低，減少了與外界空氣的壓力差，減小了空氣的激蕩，從而有效降低了槍聲，起到了很好的消音效果.

3.2.3 電磁學教學緊貼軍事應用

電磁學是經典物理學的一部分，是研究電磁現象及其規律的學科.電磁現象是自然界存在的一種極為普遍的現象，涉及到很廣泛的領域，它主要是研究電荷、電流產生電場、磁場的規律，電場和磁場的相互聯系，電磁場對電荷、電流的作用，以及電磁場對物質的各種效應等.電磁學的研究和應用在認識客觀世界和改造客觀世界中展現了巨大的活力，同時也深刻地影響著武器裝備的發展.

19世紀，英國科學家法拉第發現了法拉第電磁感應定律，發現了運動的電荷和電流在磁場中會受到洛倫茲力的作用，同時，如果讓導線在磁場中作切割磁感應線的運動，導線上也會產生感應電動勢或感應電流.20世紀初，有人提出能否利用洛倫茲力發射炮彈的設想.在兩次世界大戰中，法國、德國和日本都曾研究過電磁炮.

電磁炮最早的形式是線圈炮，又稱交流同軸線圈炮，它由加速線圈和彈丸線圈構成，是根據通電線圈之間互感作用原理而工作的.加速線圈固定在炮管中，當它通入交變電流時，產生的交變磁場就會在彈丸線圈中產生感應電流.感應電流的磁場與加速線圈電流的磁場互相作用，產生電磁場力，使彈丸加速運動并發射出去.

1920年法國人維勒魯伯發明了電磁軌道炮.它由兩條平行的長直導軌組成，導軌間放置一質量較小的滑塊作為彈丸，如圖3所示.當兩軌道接入電源時，強大的電流從一導軌流入，經滑塊從另一導軌流回時，在兩導軌平面間產生強磁場，通電流的滑塊在安培力的作用下，會以很大的亞光速速度射出.長為L，通電流為I的導線所受安培力可表示為

F=IBLsinθ

(4)

式中，θ為電流與磁場方向之間的夾角，B為磁感應強度的大小.

圖3 電磁軌道炮原理圖

電磁炮是利用電磁場產生的安培力或洛倫茲力來對金屬炮彈進行加速，使其達到打擊目標所需的動能.相比傳統的火炮，電磁炮在速度、精度以及打擊效果上都有著顯著優勢.2015年美國BAE為海軍所研制的電磁炮射出的炮彈就如同一根大釘子，可以輕易擊穿水泥板、汽車，甚至是一次穿透8塊鋼板，威力驚人.電磁炮在未來武器的發展計劃中，已成為越來越重要的組成部分.

3.2.4 波動光學教學緊貼軍事應用

光學是一門古老而又不斷發展的學科，而依據波動理論研究光的傳播及光與物質相互作用規律的波動光學是光學的一個物理學分支，其理論和應用都在物理學中占有重要地位.

武警部隊在執行維穩處突的遂行任務中，通常要用到望遠鏡、觀察鏡、夜視儀、監視儀、顯微鏡等光學儀器，這些儀器的重要性能指標之一就是分辨率.那么我們在講“夫瑯禾費圓孔衍射”時，其重要應用就是光學儀器的分辨率.滿足瑞利判據的兩物點間的距離，就是光學儀器所能分辨的最小距離.此時，兩個物點對透鏡中心所張的角

(5)

稱為最小分辨角，其倒數

(6)

即為光學儀器的分辨率.提高光學儀器分辨本領有兩條基本途徑：一是加大成像系統的通光孔徑D，二是采用較短的工作波長λ.

3.2.5 近現代物理學教學緊貼軍事應用

20世紀以來，隨著相對論和量子理論的相繼出現，新的時空觀和物質波等在宇觀和微觀領域取代了牛頓力學的相關概念，進而激光、紅外等技術應運而生，我們稱其為近現代物理學時期.這是物理學理論向技術應用轉化的爆炸時期.在近現代物理學部分的教學中，我們更要加大軍事應用素材的挖掘.例如黑體輻射這節課中的維恩位移定律

Tλm=b

(7)

式中λm是物體輻射的峰值波長，T是物體的絕對溫度，b是與溫度無關的常數，其值為b=2.897×10-3m·K[5].

該定律指出，物體的熱力學溫度T決定著物體輻射的峰值波長λm.這樣只要知道物體的熱力學溫度就可以估算出它發出的熱輻射波的主要波長.比如渦旋噴氣式飛機的尾噴管溫度約為T=1 000 K，根據式(7)則有

(8)

可見，尾噴管火焰的熱輻射一般分布在紅外波段(0.77～15.4 μm).飛機是具有較強紅外輻射特征的空中目標，利用其紅外輻射特征進行探測和反探測具有一定的實戰意義[6].目前，紅外線熱成像技術已被廣泛應用于災后搜救及其他的軍事技術中.

3.3 緊貼物理學科前沿 拓展大學物理教學緊貼軍事應用的思維視野

物理學前沿領域內的發展動態和研究成果與軍事應用有著千絲萬縷的聯系.例如電磁超導材料、石墨烯材料、納米科技、激光物理、量子通信、天體物理學的發展，為物理學在軍事領域內的應用提供了廣闊的空間和無限的潛能.若能在大學物理教學中及時地介紹物理學的前沿發展動態，一定會激活軍事應用想象空間，拓寬軍事應用思維視野.

北京時間2019年4月10日21點整，天文學家召開全球新聞發布會，宣布首次直接拍攝到黑洞的照片.為了得到這張照片，天文學家們動用了遍布全球的8個毫米/亞毫米波射電望遠鏡，組成了一個巨大的所謂的“事件視界望遠鏡”(Event Horizon Telescope，縮寫EHT).在這張極具科學前沿的照片背后蘊藏著頗多的物理學知識，需要教員緊貼物理學科前沿來充分挖掘.例如：

(1)黑洞輪廓的大小和形狀可以從廣義相對論引力場方程計算出來，這取決于黑洞的質量和角動量；

(2)光的傳播速度是30萬 km/s，黑洞的引力大到連光都無法逃脫它的“掌控”，即黑洞的逃逸速度超過30萬 km/s；

(3)為了能夠觀測到黑洞視界上的物質行為，天文學家所用的“事件視界望遠鏡”是由8個毫米/亞毫米波射電望遠鏡組成的一個虛擬的、口徑接近整個地球直徑的“望遠鏡”.該 “望遠鏡”已經把射電望遠鏡的分辨率提高到了前所未有的高度，分辨角達到10～20 μas(1°=3 600 000 000 μas)的程度.哈勃望遠鏡的分辨角為0.1 as，也就是說“事件視界望遠鏡”的分辨率是哈勃望遠鏡的數千倍.

4 結束語

綜上所述，在大學物理的教學中，通過加強教員隊伍建設、挖掘物理知識與軍事應用之間的聯系、緊貼物理學科前沿，打牢基礎，求真務實拓展視野，促使大學物理教學緊貼軍事應用，實現大學物理教學貼近部隊、貼近實戰，為軍事理論和應用課程注入更多的高科技含量，為打贏現代化戰爭奠定堅實的物理學基礎.