结合工程实例推进工科物理教学改革

胡海云 缪劲松 苟秉聪

(北京理工大学物理系,北京 100081)

结合工程实例推进工科物理教学改革

胡海云 缪劲松 苟秉聪

(北京理工大学物理系,北京 100081)

在理工科大学物理的教学中,引入工程实例可以促进学生爱学物理、会做物理、善用物理.物理教师应遵循辩证唯物主义的认识规律,结合适当的工程实例来引入物理概念、定义,讲解物理定理、公式,处理物理应用问题,培养学生解决问题和分析问题的能力.

工程实例;工科物理;教学改革

大学物理是理工科高等学校重要的公共基础课,在培养学生科学的思想方法、创新能力、理论联系实际能力、工程实践能力等方面的作用毋庸置疑.为此,我们在大学物理教学中应将创新的理念和创新意识贯穿到每一个教学环节中.引入工程实例,结合物理在工程技术中的应用进行教学改革,是我们近几年在大学物理教学中的一种尝试,目的是让学生体会物理学在工程技术中的应用价值,激发学生的学习兴趣,培养思考问题、解决问题的能力,树立工程意识,从而提高学生的综合素质.下面着重给出几个教学实例:

实例一 旋转测试试验爆炸事故

我们在力学部分讲解刚体转动动能时,将1985年初美国实验设备公司进行旋转试验时发生的一起爆炸事故[1,2]作为一个案例来分析.

长期要经历高速转动的工业压缩机、机床、医疗离心机、高速电动机、喷气发动机等大型机械部件要在一种旋转测试系统(见图1)中测验其损坏的可能性.这种系统是一个由铅砖衬套构成的圆筒装置,它被包在钢壳中并用一个盖子盖严封死.待试部件就放在圆筒中被带着旋转起来(达到高速).如果由于转动使部件损坏时,碎片就会嵌到软的铅砖内而被用来分析损坏的情况.

图1 旋转测试系统[2]

1985年初,实验设备公司做了一个质量 M=272kg和半径 R=38.0cm的实心钢转子(一圆盘)样品的旋转试验.当样品达到 n=14000rev/min的转速时,实验工程师们听到从安置在低一层楼并隔一个房间的试验系统发出的一声重击的闷响.经过检查,他们发现铅砖已被抛向通向实验室的走道里,房间的门已被扔到附近的停车场上,一块铅砖已从试验台飞出打穿了和邻居厨房相隔的墙,实验大楼的结构墙已被损坏,旋转室的混凝土地面被强推掉了约0.5cm厚的一层,那900kg的盖被向上摔穿透天花板并回落砸在实验装备上(图2).只是由于幸运,爆炸碎片才没有穿透实验工程师们的房间.我们提出的问题是:转子爆炸时释放了多少能量?结果是可视为圆盘的一个转子刚达到14000rev/min的转速时的转动动能为2.1×107J:所释放的能量接近一个炸弹的爆炸一样.附带着向同学介绍,爆炸并不是非要在燃烧的情况下才能发生的.比如家庭里利用高压锅煮食物,如果高压锅的安全阀小孔被堵塞住的话,那么锅里产生的大量水蒸气无路可走,就可能将锅胀破,发出砰然轰响,这也是爆炸.又如,原子核发生裂变时会放出巨大的能量,如果对原子核发生裂变的连锁反应不加控制,那样产生的能量将是极为可观的.

图2 旋转测试系统爆炸前后的场景[2]

实例二 巧克力碎屑的秘密[1]

在静电场一章讲解完高斯定理后,介绍了20世纪70年代曾发生震惊世界的巧克力仓爆炸事故.近几十年类似的粉尘爆炸事故在世界各地屡有发生,有些则是由静电放电(火花)点燃而引起的[3].这是因为粉尘在加工、输送、储存、收集过程中易积累大量的静电.在工厂,工人们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,被鼓风机吹走,通过接地的聚氯乙烯管道送到贮仓内储存(图3).在有巧克力粉末流的聚氯乙烯管道的某处,爆炸应满足条件:电场强度的大小变为3.0×106N/C或更大,以至它能发生电击穿因而产生火花.假设带负电的巧克力碎屑粉末流被吹过半径 R=5.0cm的聚氯乙烯管道,粉末及其电荷被均匀地以电荷密度ρ=-1.1×10-3C/m3散布在管道中(这在饼干厂是有代表性的).(1)求管道中的电场强度大小;(2)火花会出现吗?如果会,在哪里?第一问是要用高斯定理,近似求出作为离管道中心径向距离的函数的电场强度的大小的表达式第二问是要求电场强度的最大值由于该值≥3.0×106(N/C),故火花会出现在r=R处.

图3 将巧克力碎屑卸入贮仓示意图

讲完电势之后,再接着分析讨论(3)求管道中的电势(设在接地的管壁上电势为零);(4)管道中心与其内壁之间的电势差是多少?答案分别是:

讲完电容器后,又接续:作为对饼干爆炸的部分调查,当工人们把巧克力碎屑粉末袋卸空到送料箱中并搅起围绕它们的粉尘时,曾测过它们的电势.每个工人相对于被取作零电势的地面约有7.0kV的电势.(5)假定每个工人实际等效于一具有典型电容200pF的电容器,求该等效电容器所储存的能量.(6)如果工人与任一接地的导体之间的一个单一的火花能使工人带的电中和,则那个能量将传送给火花.根据测量,能点燃巧克力碎屑粉尘云,并从而引起爆炸的火花必须至少有150mJ的能量.来自工人的火花能够引起在送料箱里粉尘云的爆炸吗?由电容器贮能公式即可知W =CU2/2=4.9×10-3(J)＜＜150(mJ),因而来自工人的火花不能够引起在送料箱里粉尘云的爆炸.

最后进一步讨论:巧克力碎屑粉末以均匀的速率 v=2.0m/s和均匀的电荷密度ρ=1.1×10-3C/m3通过半径为 R=5.0cm的管道运动到贮仓.(7)求出通过管道垂直横截面的电流 I.(8)当粉末从管道流进贮仓时,粉末的电势改变了.那个改变的大小至少等于管道内的径向电势差(如前所估算的7.76×104V).求当粉末离开管道时能量从粉末转移到火花的转移率 P.(9)如果火花确实发生在出口处且持续2.0s(合理的期望值),则多少能量W已被转移成火花?(10)回想在前面曾提到,要引起爆炸至少需要转移150mJ的能量,粉末爆炸可能发生在哪里?在卸料箱的粉末云中(前面所考虑的);在管道内,还是在管道进入贮仓的出口处?实际对上面的解答并不难,分别有:I= ρ πR2v=1.73 ×10-5(A);P=IU=1.34(W);W=Pt=0.268(J)＞150(mJ);粉末爆炸可能发生在管道进入贮仓的出口处.

实例三 心脏病发作还是触电致死[1]

先从故事讲起:一个上午,一位男士从野餐地点赤脚走开到靠近输电线支撑塔的湿地上(图4).他突然倒下.他在餐桌处的亲属看见他跌倒并且在几秒后跑到他那里时,发现他处于心室纤维性颤动中.这个人在急救队带着除颤设备到达之前就死去了.以后该家族对电力公司提出法律诉讼,声称遇难者由于支撑塔的意外电流泄漏而触电致死.设想你被聘为法庭辩论团的成员去调查死亡事件.死亡是因心脏病发作还是触电造成的?

图4 跨步电压示意图

电力公司的调查记录揭示,在那天上午在该塔确实有漏电故障,电流 I=100A从一根杆漏入地面约达1秒钟,该杆的下端为具有半径 b=1.0cm的球形.假定电流均匀地(半球状地)传入地面,地的电阻率为ρ=100Ω·m,而遇难者距杆的距离为 r=10m,求在遇难者的位置:(1)电流密度J;(2)电场强度的大小 E;(3)在杆的下端与遇难者之间的电势差U表达式;(4)如图4所示,电流向上通过遇难者一只脚,横过其躯干(包括心脏),并向下通过另一只脚的导电通路.假定一只脚比另一只脚更靠近漏电的杆 0.50m,由给定的数据,试求这个人双脚之间的电势差;(5)假定在湿地上一只脚的电阻为 300Ω的典型值,而躯干内部的电阻为 1000Ω的一般认可值,那么通过遇难者躯干的电流 Ib有多大?(6)通过躯干的0.10A到 1.0A的电流能使心脏进入纤维性颤动.遇难者的纤维性颤动是由该杆所泄漏的电流造成的吗?

求解简要如下:

(2)E=ρJ=16(V/m);

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

(6)遇难者的纤维性颤动不是由泄漏的电流造成的.

同时指出,在低压电网中的各种电器的非带电的金属部分,如电动机、洗衣机、电冰箱等电器的金属外壳,在正常运行情况下,由于绝缘物的隔绝,人碰触并不危险.但因种种原因,例如运行时间过久、绝缘老化、受潮、受损,绝缘物失去绝缘作用发生漏电时,该用电设备将会以故障电流入地点为圆心,形成电场圆.若此时有人在电场圆内行走,人的两脚之间将产生电势差,这就是我们平时所说的跨步电压.这种由于跨步电压引起的触电,就是间接接触触电的一种.通过这个例子,也教育了学生不接触低压带电体,不靠近高压带电体,不用手误触各种带电体的裸露处,不用湿手接触电器开关,不在电线上晾晒衣物等.

我们认为,为了激发学生的学习兴趣,培养学生思考问题、解决问题的能力,工程实例的选择上一定要有吸引力,与教学知识点高度相关,能够引起学生对理论学习的注意和重视,让学生对知识的应用有切实的体会,感到确实学有所用.

工程实例也并非随意拈来的例子,高质量的实例是教学成功的关键.实例可以是针对一个知识点,或是将相对零散的知识点紧密地联系起来,便于学生对知识点的整体把握.而且有一定的挑战性,使学生在解决问题后有一种成就感.

在教学中选择实例时还必须注意一个问题:这些例子最好是“真实”,而不是“假想”的或是人为“设计”的,否则容易与实际脱节,达不到预想的效果.我们的实例很多是来自科技新闻或文献以及国外优秀教材.这就要求我们教师处处留心,有意积累,拓展视野,及时跟踪科学技术的发展及应用,广泛地收集相关的实际案例.

[1] D.Halliday,R.Resnick,J.Walker,著.《物理学基础(Fudamentals of Physics)》(第 6 版).张三慧 ,李椿等译.北京:机械工业出版社,2005

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

[3] 王万玉.静电放电点燃粉尘能力探讨[J].安全,1994,(3):1～3

2010-10-12)