與土木工程相結合的大學物理教學設計*

劉恒志 徐 迅 徐潔如 王 旭 羅達峰

(南通大學杏林學院 江蘇 南通 226000)

1 前言

大學物理是理工科專業(yè)的一門基礎課.近年來,教育部積極引導地方高校向應用型技術型本科院校轉型,大學物理課程如何與專業(yè)銜接,滿足專業(yè)建設需求,成為大學物理教學改革的重要內容.很多學者在教學、教材創(chuàng)新方面進行積極的嘗試并取得了一定的成果[1-6].

筆者參與編寫的教材《大學基礎物理學》[7],根據(jù)工程技術人才培養(yǎng)的目標和要求,對大學物理學的內容進行了重新編排,突破了傳統(tǒng)教材的框架和內容體系,力求為專業(yè)后續(xù)課程打好基礎.該教材針對不同專業(yè)提供了力學、熱學、電磁學、光學和近代物理基礎5個選講模塊,各專業(yè)可根據(jù)后續(xù)專業(yè)課程選擇任意組合.

筆者在學院承擔土木工程專業(yè)大學基礎物理學的教學任務,認為目前的教材,雖按專業(yè)需求調整了教學側重點,但物理學與專業(yè)的結合仍不夠深入,缺乏工程實例支撐,迫切需要在課程中引入具體情境,用工程實例來講述物理理論.然而,工程實例大多較為復雜,涉及跨章節(jié)跨學科理論知識的綜合運用,直接引入課程對學生難度過大,反而適得其反.因此,深入研究工程中的物理理論,從中提煉與課程中知識點相關聯(lián)的實例,幫助學生更深刻地理解理論并了解其專業(yè)實用性,具有很強的現(xiàn)實意義.

本文從力學、熱力學、電磁學、光學等幾個方面,開展與土木工程相結合的教學設計,為大學物理與專業(yè)相結合的教學改革提供思路.

2 “平行軸定理”結合建筑格構柱的穩(wěn)定性校核

在鋼結構工程設計中,將實腹式工字鋼柱中心腹板處的材料轉移到兩端翼緣處,中間用綴件連接,形成格構柱,其抗彎能力大大提升.對截面尺寸如圖1(a)所示的格構柱一肢進行穩(wěn)定性校核.

(a)

(b)圖1 格構柱穩(wěn)定性校核

物理量慣性矩通常被用作描述一個物體抵抗彎曲的能力,計算式為

(1)

式中,dA為截面各微元面積,y為各微元到軸線的距離.

對如圖1(b)所示的矩形,其對過質心軸的慣性矩為

(2)

根據(jù)平行軸定理,面積對某轉軸的慣性矩

I=Ic+Ad2

(3)

式中,A為面積,d為轉軸到過質心軸的距離.

該格構柱一肢對x-x軸的慣性矩為

(4)

將建筑格構柱穩(wěn)定性校核計算融入教學,幫助學生了解剛體力學在工程中的應用,同時更深刻地理解平行軸定理.

3 “伯努利原理”結合大型屋面虹吸排水系統(tǒng)

大型屋面虹吸雨水排放系統(tǒng),是利用伯努利方程進行排水管道內壓力計算,通過管徑變化從而改變排水管道內的壓力變化,形成滿管流,在壓力作用下快速排水的系統(tǒng),是大型復雜建筑屋面排水問題的有效解決方式.虹吸系統(tǒng)管道排水模塊主要包含虹吸雨水斗及尾管、懸吊管、立管及排出管,如圖2所示.利用伯努利原理分析虹吸系統(tǒng)管道內壓力水頭的變化情況.

圖2 虹吸式屋面排水系統(tǒng)

取系統(tǒng)任意高度的截面x-x,與虹吸雨水斗進口截面B-B列伯努利方程

(5)

其中,pB=0,vB=0,hB-x為虹吸雨水斗高度B-B到截面x-x的總水頭損失,px為管道在x-x截面處的壓力水頭,令h=H-hx為可利用水頭,則

(6)

由式(6)分析管道內壓力水頭的變化如下:

(1)虹吸雨水斗可利用水頭較小,尾管管徑較小,流速較快,速度水頭較大,加上局部阻力損失,尾管內壓力可能呈現(xiàn)較小的正壓或負壓.

(2)懸吊管段水平敷設,可利用水頭不變,隨著管段長度和配件數(shù)增加,管道總水頭損失增大,管內負壓值逐漸增大,懸吊管末端為最大負壓處.

(3)立管段系統(tǒng)的可利用水頭快速增長,增長幅度遠大于管道沿程水頭損失的增長,立管內負壓值迅速變小降至為零,隨之出現(xiàn)逐漸增大的正壓值,立管底部有最大正壓值.

(4)排出管內壓力水頭逐漸減小,直至與大氣相通的市政檢查井,壓力水頭降至為零.

將屋面虹吸排水系統(tǒng)融入教學,幫助學生了解流體力學在工程中的應用,同時更深刻地理解伯努利方程.

4 “熱力學循環(huán)過程”結合建筑供暖熱泵系統(tǒng)

建筑供暖是土木工程中的重要設計部分.在當前世界能源危機以及國內“雙碳”背景下,熱泵技術成為近年來在全世界倍受關注的新能源技術.

熱泵利用少量高品位電能作為驅動,從低溫分散的熱源吸收低品位熱能并傳輸給高溫熱源,達到“泵熱”的目的.目前應用最普遍的是空氣源蒸汽壓縮式熱泵,運用逆卡諾循環(huán)原理,用電能驅動壓縮機,將制冷劑壓縮成高溫高壓氣體;進入冷凝器放熱,被冷凝成高壓液體;高壓液體經(jīng)膨脹閥節(jié)流降壓后,在蒸發(fā)器中吸收空氣中的熱量,蒸發(fā)成低溫低壓氣體,又被吸入壓縮機中壓縮,如此反復循環(huán).熱泵系統(tǒng)的組成如圖3所示.

圖3 熱泵系統(tǒng)

制熱系數(shù)COP是衡量熱泵性能的重要指標,又稱為能效比.設制熱量為Q,壓縮機輸入功為W,則

(7)

式中,Q為制熱量,W為壓縮機輸入功.

目前熱泵的COP通常在3～4.而傳統(tǒng)的電熱水器、燃氣鍋爐等設備則因能量轉換的過程中存在損失,其COP不超過1.

將熱泵系統(tǒng)融入教學,幫助學生了解熱力學在工程中的應用,同時更深刻地理解熱力學過程、循環(huán)系統(tǒng)、逆卡諾循環(huán)等理論.

5 “電磁學”結合檢測傳感器

電容式壓力傳感器是利用電容敏感元件將被測壓力轉換成與之成一定關系的電量輸出的壓力傳感器.如圖4所示的一單電容式壓力傳感器,由一個固定極板和一個彈性膜片(即動極板)組成,彈性膜片受壓力而變形時,與固定極之間形成的電容量發(fā)生變化.

圖4 單電容式壓力傳感器

設極板面積為S,極板間距離為d,其初始值為d0,初始電容C0為

(8)

受到壓力F后,極板間距離縮小了Δd,則電容變?yōu)?/p>

(9)

該實例結合了平行板電容器計算公式.

電容式液位傳感器是依據(jù)電容感應原理,當被測介質浸潤測量電極的高度變化時,引起電容變化.某電容式液位傳感器如圖5所示,由直徑為d和D的兩個同心圓柱體組成,儲罐高H,儲存液體的相對電容率為εr.

圖5 電容式液位傳感器

液面高度h=0時,電容

(10)

液面高度為h時,電容為

(11)

其中

可見電容的增量正比于液面高度.

該實例結合了圓柱形電容器的計算公式以及電容器并聯(lián)公式.

電感式壓力傳感器,是利用電磁感應原理將被測量如位移、壓力、振動等轉換成線圈自感L或互感M的變化,再由測量電路轉換為電壓或電流的變化輸出.

一螺管式自感傳感器,線圈總長為l,線圈半徑為r,銜鐵半徑為ra,銜鐵磁導率為μm,線圈匝數(shù)為N,如圖6所示.

圖6 螺線管型電感式傳感器

當線圈中的銜鐵移動時,螺管線圈的自感L將發(fā)生相應變化

(12)

自感的增量正比于銜鐵的位移.線圈的輸出電壓與銜鐵位移量相關.該實例結合了螺線管自感公式.

將各類檢測傳感器融入教學,幫助學生了解電磁學在工程中的應用,同時更深刻地理解電容、電感等理論.

6 “光的干涉、偏振”結合光彈性法測量結構應力應變

光彈性法是土木工程測量中用于研究各種工程結構和構筑物應力應變狀態(tài)的常用方法.它是采用具有雙折射性能的透明材料,制作與實際構件形狀相似的模型,并在模型上施加與實際構件形狀相似的外力,把承載的模型置于偏振光場中,可觀察到與模型應力狀態(tài)有關的條紋,用于確定模型各點的應力[8].

光彈性實驗原理如圖7所示,光源經(jīng)過起偏器P1成為線偏振光,通過受力透明介質板后,產生雙折射,分解為兩路折射率不同的線偏振光,其中一束仍沿原方向傳播,遵守折射定律,稱為尋常光,簡稱o光,另一束光偏離原來的傳播方向,不服從折射定律,稱為非尋常光,簡稱e光.o光和e光傳播速度不同,產生光程差δ.通過檢偏鏡P2后,產生光干涉現(xiàn)象.

圖7 光彈性實驗原理圖

根據(jù)應力光學定律

no-ne=Kσ

(13)

式中,σ為作用應力,K為應力光學常數(shù).

在側向應力作用下,透明材料可使透過的o光和e光產生相位差

(14)

式中,L為材料厚度,λ為光波長.

材料內部各處受力不均時,自各處透過的o光和e光的相位差不同.獲得的干涉圖樣與材料內部各處應力分布相對應.將光彈性實驗融入教學,幫助學生了解光學在工程中的應用,同時更深刻地理解光的干涉、偏振等理論.

7 結束語

大學物理課程與專業(yè)銜接,滿足專業(yè)建設需求,是大學物理教學改革的重要內容.但實際工程較為復雜,大多涉及跨章節(jié)、跨學科理論知識的綜合運用,如何與大學物理基礎理論相結合需要深入探討.本文以土木工程專業(yè)為例,深入研究工程中的物理理論,從中提煉與課程知識點相關聯(lián)的實例,設計了建筑格構柱穩(wěn)定性校核、建筑屋面虹吸排水系統(tǒng)、建筑供暖熱泵系統(tǒng)、電容電感式傳感器、光彈性法測量結構應力應變等教學實例,幫助學生更深刻地理解物理理論并了解其專業(yè)實用性,為大學物理與專業(yè)相結合的教學改革提供思路.