與土木工程相結(jié)合的大學(xué)物理教學(xué)設(shè)計(jì)*

劉恒志 徐 迅 徐潔如 王 旭 羅達(dá)峰

(南通大學(xué)杏林學(xué)院 江蘇 南通 226000)

1 前言

大學(xué)物理是理工科專業(yè)的一門基礎(chǔ)課.近年來,教育部積極引導(dǎo)地方高校向應(yīng)用型技術(shù)型本科院校轉(zhuǎn)型,大學(xué)物理課程如何與專業(yè)銜接,滿足專業(yè)建設(shè)需求,成為大學(xué)物理教學(xué)改革的重要內(nèi)容.很多學(xué)者在教學(xué)、教材創(chuàng)新方面進(jìn)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(xué)基礎(chǔ)物理學(xué)》[7],根據(jù)工程技術(shù)人才培養(yǎng)的目標(biāo)和要求,對(duì)大學(xué)物理學(xué)的內(nèi)容進(jìn)行了重新編排,突破了傳統(tǒng)教材的框架和內(nèi)容體系,力求為專業(yè)后續(xù)課程打好基礎(chǔ).該教材針對(duì)不同專業(yè)提供了力學(xué)、熱學(xué)、電磁學(xué)、光學(xué)和近代物理基礎(chǔ)5個(gè)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(xué)院承擔(dān)土木工程專業(yè)大學(xué)基礎(chǔ)物理學(xué)的教學(xué)任務(wù),認(rèn)為目前的教材,雖按專業(yè)需求調(diào)整了教學(xué)側(cè)重點(diǎn),但物理學(xué)與專業(yè)的結(jié)合仍不夠深入,缺乏工程實(shí)例支撐,迫切需要在課程中引入具體情境,用工程實(shí)例來講述物理理論.然而,工程實(shí)例大多較為復(fù)雜,涉及跨章節(jié)跨學(xué)科理論知識(shí)的綜合運(yùn)用,直接引入課程對(duì)學(xué)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(shí)點(diǎn)相關(guān)聯(lián)的實(shí)例,幫助學(xué)生更深刻地理解理論并了解其專業(yè)實(shí)用性,具有很強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義.

本文從力學(xué)、熱力學(xué)、電磁學(xué)、光學(xué)等幾個(gè)方面,開展與土木工程相結(jié)合的教學(xué)設(shè)計(jì),為大學(xué)物理與專業(yè)相結(jié)合的教學(xué)改革提供思路.

2 “平行軸定理”結(jié)合建筑格構(gòu)柱的穩(wěn)定性校核

在鋼結(jié)構(gòu)工程設(shè)計(jì)中,將實(shí)腹式工字鋼柱中心腹板處的材料轉(zhuǎn)移到兩端翼緣處,中間用綴件連接,形成格構(gòu)柱,其抗彎能力大大提升.對(duì)截面尺寸如圖1(a)所示的格構(gòu)柱一肢進(jìn)行穩(wěn)定性校核.

(a)

(b)圖1 格構(gòu)柱穩(wěn)定性校核

物理量慣性矩通常被用作描述一個(gè)物體抵抗彎曲的能力,計(jì)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(duì)如圖1(b)所示的矩形,其對(duì)過質(zhì)心軸的慣性矩為

(2)

根據(jù)平行軸定理,面積對(duì)某轉(zhuǎn)軸的慣性矩

I=Ic+Ad2

(3)

式中,A為面積,d為轉(zhuǎn)軸到過質(zhì)心軸的距離.

該格構(gòu)柱一肢對(duì)x-x軸的慣性矩為

(4)

將建筑格構(gòu)柱穩(wěn)定性校核計(jì)算融入教學(xué),幫助學(xué)生了解剛體力學(xué)在工程中的應(yīng)用,同時(shí)更深刻地理解平行軸定理.

3 “伯努利原理”結(jié)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(jìn)行排水管道內(nèi)壓力計(jì)算,通過管徑變化從而改變排水管道內(nèi)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(fù)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(nèi)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(jìn)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(nèi)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(nèi)壓力可能呈現(xiàn)較小的正壓或負(fù)壓.

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

(3)立管段系統(tǒng)的可利用水頭快速增長(zhǎng),增長(zhǎng)幅度遠(yuǎn)大于管道沿程水頭損失的增長(zhǎng),立管內(nèi)負(fù)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(nèi)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(xué),幫助學(xué)生了解流體力學(xué)在工程中的應(yīng)用,同時(shí)更深刻地理解伯努利方程.

4 “熱力學(xué)循環(huán)過程”結(jié)合建筑供暖熱泵系統(tǒng)

建筑供暖是土木工程中的重要設(shè)計(jì)部分.在當(dāng)前世界能源危機(jī)以及國(guó)內(nèi)“雙碳”背景下,熱泵技術(shù)成為近年來在全世界倍受關(guān)注的新能源技術(shù).

熱泵利用少量高品位電能作為驅(qū)動(dòng),從低溫分散的熱源吸收低品位熱能并傳輸給高溫?zé)嵩?達(dá)到“泵熱”的目的.目前應(yīng)用最普遍的是空氣源蒸汽壓縮式熱泵,運(yùn)用逆卡諾循環(huán)原理,用電能驅(qū)動(dòng)壓縮機(jī),將制冷劑壓縮成高溫高壓氣體;進(jìn)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(jī)中壓縮,如此反復(fù)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(biāo),又稱為能效比.設(shè)制熱量為Q,壓縮機(jī)輸入功為W,則

(7)

式中,Q為制熱量,W為壓縮機(jī)輸入功.

目前熱泵的COP通常在3～4.而傳統(tǒng)的電熱水器、燃?xì)忮仩t等設(shè)備則因能量轉(zhuǎn)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(xué),幫助學(xué)生了解熱力學(xué)在工程中的應(yīng)用,同時(shí)更深刻地理解熱力學(xué)過程、循環(huán)系統(tǒng)、逆卡諾循環(huán)等理論.

5 “電磁學(xué)”結(jié)合檢測(cè)傳感器

電容式壓力傳感器是利用電容敏感元件將被測(cè)壓力轉(zhuǎn)換成與之成一定關(guān)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(gè)固定極板和一個(gè)彈性膜片(即動(dòng)極板)組成,彈性膜片受壓力而變形時(shí),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(shè)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(shí)例結(jié)合了平行板電容器計(jì)算公式.

電容式液位傳感器是依據(jù)電容感應(yīng)原理,當(dāng)被測(cè)介質(zhì)浸潤(rùn)測(cè)量電極的高度變化時(shí),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(gè)同心圓柱體組成,儲(chǔ)罐高H,儲(chǔ)存液體的相對(duì)電容率為εr.

圖5 電容式液位傳感器

液面高度h=0時(shí),電容

(10)

液面高度為h時(shí),電容為

(11)

其中

可見電容的增量正比于液面高度.

該實(shí)例結(jié)合了圓柱形電容器的計(jì)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(yīng)原理將被測(cè)量如位移、壓力、振動(dòng)等轉(zhuǎn)換成線圈自感L或互感M的變化,再由測(cè)量電路轉(zhuǎn)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(zhǎng)為l,線圈半徑為r,銜鐵半徑為ra,銜鐵磁導(dǎo)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(dāng)線圈中的銜鐵移動(dòng)時(shí),螺管線圈的自感L將發(fā)生相應(yīng)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(guān).該實(shí)例結(jié)合了螺線管自感公式.

將各類檢測(cè)傳感器融入教學(xué),幫助學(xué)生了解電磁學(xué)在工程中的應(yīng)用,同時(shí)更深刻地理解電容、電感等理論.

6 “光的干涉、偏振”結(jié)合光彈性法測(cè)量結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變

光彈性法是土木工程測(cè)量中用于研究各種工程結(jié)構(gòu)和構(gòu)筑物應(yīng)力應(yīng)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(shí)際構(gòu)件形狀相似的模型,并在模型上施加與實(shí)際構(gòu)件形狀相似的外力,把承載的模型置于偏振光場(chǎng)中,可觀察到與模型應(yīng)力狀態(tài)有關(guān)的條紋,用于確定模型各點(diǎn)的應(yīng)力[8].

光彈性實(shí)驗(yàn)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(zhì)板后,產(chǎn)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(jiǎn)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(jiǎn)稱e光.o光和e光傳播速度不同,產(chǎn)生光程差δ.通過檢偏鏡P2后,產(chǎn)生光干涉現(xiàn)象.

圖7 光彈性實(shí)驗(yàn)原理圖

根據(jù)應(yīng)力光學(xué)定律

no-ne=Kσ

(13)

式中,σ為作用應(yīng)力,K為應(yīng)力光學(xué)常數(shù).

在側(cè)向應(yīng)力作用下,透明材料可使透過的o光和e光產(chǎn)生相位差

(14)

式中,L為材料厚度,λ為光波長(zhǎng).

材料內(nèi)部各處受力不均時(shí),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(nèi)部各處應(yīng)力分布相對(duì)應(yīng).將光彈性實(shí)驗(yàn)融入教學(xué),幫助學(xué)生了解光學(xué)在工程中的應(yīng)用,同時(shí)更深刻地理解光的干涉、偏振等理論.

7 結(jié)束語

大學(xué)物理課程與專業(yè)銜接,滿足專業(yè)建設(shè)需求,是大學(xué)物理教學(xué)改革的重要內(nèi)容.但實(shí)際工程較為復(fù)雜,大多涉及跨章節(jié)、跨學(xué)科理論知識(shí)的綜合運(yùn)用,如何與大學(xué)物理基礎(chǔ)理論相結(jié)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(shí)點(diǎn)相關(guān)聯(lián)的實(shí)例,設(shè)計(jì)了建筑格構(gòu)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(cè)量結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變等教學(xué)實(shí)例,幫助學(xué)生更深刻地理解物理理論并了解其專業(yè)實(shí)用性,為大學(xué)物理與專業(yè)相結(jié)合的教學(xué)改革提供思路.