陳 宏 張世全
(武警工程大學(xué)基礎(chǔ)部 陜西 西安 710086)
軍校是培養(yǎng)高素質(zhì)現(xiàn)代軍事指揮官的搖籃.能否培養(yǎng)具有“能打仗、打勝仗” 的合格軍事人才,是衡量軍校辦學(xué)水平高低和質(zhì)量好壞的唯一標(biāo)準(zhǔn)與尺度.不同于普通高等教育,軍事院校教育應(yīng)具有軍事特色,其實(shí)質(zhì)是通過軍事、科技、人文相結(jié)合的教育,為初級(jí)指揮軍官打好寬廣厚實(shí)的科學(xué)文化基礎(chǔ)和堅(jiān)實(shí)過硬的軍事素質(zhì),增強(qiáng)可持續(xù)發(fā)展的能力,培養(yǎng)具有大學(xué)本科學(xué)歷和具有基本軍事素質(zhì),能適應(yīng)現(xiàn)代化戰(zhàn)爭(zhēng)需求的指揮軍官[1].在大學(xué)物理教學(xué)中緊貼軍事應(yīng)用是實(shí)現(xiàn)新時(shí)期軍事教育培養(yǎng)目標(biāo)的重要舉措.因此,按照軍隊(duì)院校教育教學(xué)的要求,教員要樹立為戰(zhàn)育人的鮮明導(dǎo)向,向教戰(zhàn)、研戰(zhàn)發(fā)力,充分發(fā)揮軍校資源集中、技術(shù)集中的優(yōu)勢(shì),瞄準(zhǔn)實(shí)戰(zhàn)化標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施教學(xué),為實(shí)現(xiàn)院校教育與部隊(duì)訓(xùn)練有效對(duì)接、實(shí)現(xiàn)課堂與戰(zhàn)場(chǎng)有效對(duì)接提供有力支撐,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)院校教育、部隊(duì)訓(xùn)練和軍事職業(yè)教育相結(jié)合的“三位一體”,新型軍事人才培養(yǎng)體系[2].
以物理學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí)、基本理論、基本思想和基本方法為主體內(nèi)容的大學(xué)物理課程是軍隊(duì)院校教育本科學(xué)員的一門必修的核心基礎(chǔ)課[3].作為軍校物理教員,一是要從思想上高度重視大學(xué)物理教學(xué)緊貼軍事應(yīng)用,真正使大學(xué)物理教學(xué)貼近部隊(duì)、貼近實(shí)戰(zhàn);二是要在物理教學(xué)中將物理軍事應(yīng)用案例恰如其分地引入到課堂教學(xué)中去.
目前軍隊(duì)院校大學(xué)物理教學(xué)中存在的問題,具體表現(xiàn)為以下幾個(gè)方面:首先,從事大學(xué)物理教學(xué)的年輕教員對(duì)大學(xué)物理教學(xué)與軍事應(yīng)用的關(guān)系存在著模糊認(rèn)識(shí),對(duì)大學(xué)物理教學(xué)緊貼軍事應(yīng)用的重要性認(rèn)識(shí)不足;其次,大學(xué)物理教學(xué)與部隊(duì)訓(xùn)練嚴(yán)重脫節(jié),“軍味”不足,教員對(duì)學(xué)員和部隊(duì)的需求了解不夠,實(shí)際教學(xué)中很少將物理知識(shí)與現(xiàn)代化軍事技術(shù)相聯(lián)系并進(jìn)行拓展;第三,部分學(xué)員在學(xué)習(xí)中不同程度地存在“文化課無(wú)用說(shuō)”“物理無(wú)用說(shuō)”的思想,導(dǎo)致學(xué)習(xí)大學(xué)物理的積極性不高,學(xué)習(xí)動(dòng)力不足等問題.因此,大學(xué)物理教學(xué)要力求改變基礎(chǔ)理論與軍事應(yīng)用相脫節(jié)的現(xiàn)狀,大學(xué)物理課程緊貼軍事應(yīng)用勢(shì)在必行.
為了實(shí)現(xiàn)大學(xué)物理教學(xué)緊貼軍事應(yīng)用的教學(xué)理念,我們從以下幾個(gè)方面進(jìn)行了探索與實(shí)踐.
軍隊(duì)院校文化課教育要按照戰(zhàn)爭(zhēng)和部隊(duì)的發(fā)展要求,全面打牢學(xué)員的科學(xué)文化課基礎(chǔ)素質(zhì),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(duì)所需和學(xué)員所需,是實(shí)現(xiàn)大學(xué)物理教學(xué)緊貼軍事應(yīng)用的前提.
(1)教員是學(xué)員學(xué)習(xí)的指導(dǎo)者和幫助者,利用指導(dǎo)學(xué)員學(xué)習(xí)的機(jī)會(huì)了解學(xué)員學(xué)習(xí)所需、專業(yè)所需、部隊(duì)所需.做到有的放矢,因材施教,從而為大學(xué)物理教學(xué)緊貼軍事應(yīng)用尋找貼近口.
(2)按照“學(xué)科交叉、知識(shí)融合、教學(xué)相長(zhǎng)”的原則,在大學(xué)物理教學(xué)中,教員要以“互聯(lián)網(wǎng)+教育”“人工智能+教育”的新時(shí)代現(xiàn)代化教育模式為契機(jī),隨時(shí)做好為自身充電的準(zhǔn)備.不但要精通大學(xué)物理知識(shí),還要涉獵人文知識(shí),注重交叉學(xué)科知識(shí)的學(xué)習(xí).例如,要加強(qiáng)軍事理論、軍校教育理論和軍事前沿等知識(shí)的學(xué)習(xí).
(3)實(shí)行教員部隊(duì)代職培訓(xùn),使教員從實(shí)踐中更多地了解部隊(duì)現(xiàn)代化建設(shè)和實(shí)踐的需求,了解大學(xué)物理在軍事技術(shù)中的實(shí)際應(yīng)用,為大學(xué)物理課程緊貼軍事應(yīng)用打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ).其中,更為重要的是要加大文職人員部隊(duì)培訓(xùn)的力度.文職人員畢業(yè)于地方大學(xué),沒有經(jīng)過正規(guī)的部隊(duì)訓(xùn)練,軍事技術(shù)更是知之甚少,在大學(xué)物理教學(xué)中更難貼近軍事應(yīng)用,更難把握物理知識(shí)在軍事技術(shù)中的應(yīng)用.所以加大文職教員部隊(duì)培訓(xùn)的力度是實(shí)現(xiàn)大學(xué)物理課程緊貼軍事應(yīng)用、增強(qiáng)教學(xué)針對(duì)性的重要環(huán)節(jié).
要把大學(xué)物理教學(xué)緊貼軍事應(yīng)用落到實(shí)處,就要求教員在日常的教學(xué)中注重挖掘物理知識(shí)與軍事應(yīng)用之間的聯(lián)系.眾所周知,物理學(xué)的每一次新發(fā)現(xiàn),每一個(gè)新理論的建立,都對(duì)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和人類文明的進(jìn)步有著巨大的推動(dòng)作用,我們發(fā)現(xiàn),先進(jìn)的科學(xué)理論和技術(shù)手段越來(lái)越迅捷地應(yīng)用于軍事技術(shù)領(lǐng)域,大學(xué)物理各篇章中的知識(shí),無(wú)不緊密地聯(lián)系著軍事技術(shù)應(yīng)用的各個(gè)領(lǐng)域.
在教學(xué)實(shí)踐中,我們從大學(xué)物理課程中的力學(xué)、熱學(xué)、電磁學(xué)、光學(xué)、近代物理等5個(gè)篇章中,挖掘了一些緊貼軍事應(yīng)用的典型案例或?qū)嵗缁鹋诘膹椀涝?、槍械消音器、電磁軌道炮、軍用望遠(yuǎn)鏡、噴氣式飛機(jī)尾噴管等.要求學(xué)員運(yùn)用所學(xué)物理知識(shí)加以分析解釋和解決問題.在教學(xué)過程中通過提供軍事應(yīng)用、分析應(yīng)用、解決問題的模式,不僅使學(xué)員深刻理解了所學(xué)物理知識(shí),而且從思想上讓學(xué)員體會(huì)到物理學(xué)的應(yīng)用之廣,消除“物理無(wú)用”的錯(cuò)誤思想.使大學(xué)物理教學(xué)進(jìn)一步向部隊(duì)靠攏,向?qū)崙?zhàn)聚焦.
3.2.1 力學(xué)教學(xué)緊貼軍事應(yīng)用
力學(xué)是研究物質(zhì)機(jī)械運(yùn)動(dòng)規(guī)律的科學(xué).它與人們的日常生活緊密聯(lián)系,在軍事活動(dòng)中更是離不開力學(xué)知識(shí).
例如,在力學(xué)部分運(yùn)動(dòng)學(xué)的教學(xué)中,用拋體運(yùn)動(dòng)來(lái)研究忽略空氣阻力時(shí)火炮的外彈道理論.如圖1所示,根據(jù)斜拋運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)學(xué)規(guī)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(fā)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(fā)射角度有關(guān).在軍事應(yīng)用中,根據(jù)上述運(yùn)動(dòng)規(guī)律,按照火炮遂行任務(wù)要求不同,可將火炮分為加農(nóng)炮、迫擊炮、榴彈炮等.其中,加農(nóng)炮低發(fā)射角射擊,彈道低伸,發(fā)射速度大于音速,主要遂行任務(wù)用于垂直目標(biāo)、裝甲目標(biāo)和遠(yuǎn)距離目標(biāo);迫擊炮發(fā)射角大,可接近85°,射高遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于射程,發(fā)射速度小,主要遂行任務(wù)用于打擊遮蔽物后和反斜面上的目標(biāo);榴彈炮發(fā)射角約為45°,彈道彎曲,主要遂行任務(wù)用于殲滅敵方有生力量,打擊遮蔽物后的目標(biāo)和水平目標(biāo)[4].
又如,在講解動(dòng)量定理的時(shí)候,為了讓學(xué)員更好地理解動(dòng)量是反映機(jī)械運(yùn)動(dòng)傳遞本領(lǐng)的一個(gè)物理量,理解動(dòng)量定理的物理意義,并能夠更好地利用已有的物理知識(shí)解決或解釋實(shí)際現(xiàn)象.筆者在教學(xué)過程的最后以軍事實(shí)例設(shè)置如下的作業(yè).
美國(guó)隱形戰(zhàn)略轟炸機(jī)“B-1”剛研制出來(lái)時(shí),進(jìn)行空中飛行訓(xùn)練,當(dāng)掠過一個(gè)湖泊時(shí),飛機(jī)突然失控,一頭墜毀在湖對(duì)面的岸上.調(diào)查結(jié)果是,一只重6.8 kg的鵜鶘“擊落”了飛機(jī)[4].請(qǐng)查詢相關(guān)資料分析其中的物理原理.
這樣的課堂教學(xué)模式,既體現(xiàn)了“教員為導(dǎo),學(xué)員為主”的教學(xué)理念,又將枯燥的物理知識(shí)緊密地貼近了軍事應(yīng)用,極大地調(diào)動(dòng)了學(xué)員學(xué)習(xí)大學(xué)物理的積極性.
3.2.2 熱學(xué)教學(xué)緊貼軍事應(yīng)用
熱學(xué)是研究熱現(xiàn)象的特性和規(guī)律的物理學(xué)分支,它起源于人類對(duì)冷熱現(xiàn)象的探索.熱學(xué)知識(shí)在軍事中的應(yīng)用實(shí)例不勝枚舉.例如,在講到氣體絕熱膨脹時(shí),我們可以將其與槍械消音器的工作原理相聯(lián)系.
槍聲的來(lái)源主要是火藥爆炸時(shí)產(chǎn)生大量的高溫、高壓氣體,這些氣體推動(dòng)彈頭從槍膛內(nèi)射出時(shí),就像拔出瓶塞一樣,子彈后面的高壓氣體會(huì)在槍口突然激烈膨脹,引起空氣振動(dòng)而發(fā)出“砰”的一聲巨響,這就是槍聲.
消音器內(nèi)部結(jié)構(gòu)是以隔板分隔成多個(gè)腔室,如圖2所示.
圖2 消音器內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖
當(dāng)高溫高壓氣體從槍口噴出,進(jìn)入消音器后,遇到第一個(gè)腔室,子彈后面高溫高壓的氣體就在這里絕熱膨脹,對(duì)外做功,氣體的內(nèi)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(duì)外做功的大小,ν為氣體的摩爾數(shù),CV為氣體的等體摩爾熱容量.可見對(duì)外做功直接引起溫度的降低.同時(shí),由絕熱方程
(3)
(式中,P,T分別為氣體壓強(qiáng)和溫度,γ為氣體的比熱容比,γ>1,C為常數(shù))可知,溫度降低時(shí)壓強(qiáng)也隨之降低.
子彈最終通過消音器的洞口時(shí),已經(jīng)過多個(gè)腔室的絕熱膨脹,氣體的壓強(qiáng)和溫度已經(jīng)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(xué)教學(xué)緊貼軍事應(yīng)用
電磁學(xué)是經(jīng)典物理學(xué)的一部分,是研究電磁現(xiàn)象及其規(guī)律的學(xué)科.電磁現(xiàn)象是自然界存在的一種極為普遍的現(xiàn)象,涉及到很廣泛的領(lǐng)域,它主要是研究電荷、電流產(chǎn)生電場(chǎng)、磁場(chǎng)的規(guī)律,電場(chǎng)和磁場(chǎng)的相互聯(lián)系,電磁場(chǎng)對(duì)電荷、電流的作用,以及電磁場(chǎng)對(duì)物質(zhì)的各種效應(yīng)等.電磁學(xué)的研究和應(yīng)用在認(rèn)識(shí)客觀世界和改造客觀世界中展現(xiàn)了巨大的活力,同時(shí)也深刻地影響著武器裝備的發(fā)展.
19世紀(jì),英國(guó)科學(xué)家法拉第發(fā)現(xiàn)了法拉第電磁感應(yīng)定律,發(fā)現(xiàn)了運(yùn)動(dòng)的電荷和電流在磁場(chǎng)中會(huì)受到洛倫茲力的作用,同時(shí),如果讓導(dǎo)線在磁場(chǎng)中作切割磁感應(yīng)線的運(yùn)動(dòng),導(dǎo)線上也會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)或感應(yīng)電流.20世紀(jì)初,有人提出能否利用洛倫茲力發(fā)射炮彈的設(shè)想.在兩次世界大戰(zhàn)中,法國(guó)、德國(guó)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(gòu)成,是根據(jù)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(dāng)它通入交變電流時(shí),產(chǎn)生的交變磁場(chǎng)就會(huì)在彈丸線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電流.感應(yīng)電流的磁場(chǎng)與加速線圈電流的磁場(chǎng)互相作用,產(chǎn)生電磁場(chǎng)力,使彈丸加速運(yùn)動(dòng)并發(fā)射出去.
1920年法國(guó)人維勒魯伯發(fā)明了電磁軌道炮.它由兩條平行的長(zhǎng)直導(dǎo)軌組成,導(dǎo)軌間放置一質(zhì)量較小的滑塊作為彈丸,如圖3所示.當(dāng)兩軌道接入電源時(shí),強(qiáng)大的電流從一導(dǎo)軌流入,經(jīng)滑塊從另一導(dǎo)軌流回時(shí),在兩導(dǎo)軌平面間產(chǎn)生強(qiáng)磁場(chǎng),通電流的滑塊在安培力的作用下,會(huì)以很大的亞光速速度射出.長(zhǎng)為L(zhǎng),通電流為I的導(dǎo)線所受安培力可表示為
F=IBLsinθ
(4)
式中,θ為電流與磁場(chǎng)方向之間的夾角,B為磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小.
圖3 電磁軌道炮原理圖
電磁炮是利用電磁場(chǎng)產(chǎn)生的安培力或洛倫茲力來(lái)對(duì)金屬炮彈進(jìn)行加速,使其達(dá)到打擊目標(biāo)所需的動(dòng)能.相比傳統(tǒng)的火炮,電磁炮在速度、精度以及打擊效果上都有著顯著優(yōu)勢(shì).2015年美國(guó)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(lái)武器的發(fā)展計(jì)劃中,已成為越來(lái)越重要的組成部分.
3.2.4 波動(dòng)光學(xué)教學(xué)緊貼軍事應(yīng)用
光學(xué)是一門古老而又不斷發(fā)展的學(xué)科,而依據(jù)波動(dòng)理論研究光的傳播及光與物質(zhì)相互作用規(guī)律的波動(dòng)光學(xué)是光學(xué)的一個(gè)物理學(xué)分支,其理論和應(yīng)用都在物理學(xué)中占有重要地位.
武警部隊(duì)在執(zhí)行維穩(wěn)處突的遂行任務(wù)中,通常要用到望遠(yuǎn)鏡、觀察鏡、夜視儀、監(jiān)視儀、顯微鏡等光學(xué)儀器,這些儀器的重要性能指標(biāo)之一就是分辨率.那么我們?cè)谥v“夫瑯禾費(fèi)圓孔衍射”時(shí),其重要應(yīng)用就是光學(xué)儀器的分辨率.滿足瑞利判據(jù)的兩物點(diǎn)間的距離,就是光學(xué)儀器所能分辨的最小距離.此時(shí),兩個(gè)物點(diǎn)對(duì)透鏡中心所張的角
(5)
稱為最小分辨角,其倒數(shù)
(6)
即為光學(xué)儀器的分辨率.提高光學(xué)儀器分辨本領(lǐng)有兩條基本途徑:一是加大成像系統(tǒng)的通光孔徑D,二是采用較短的工作波長(zhǎng)λ.
3.2.5 近現(xiàn)代物理學(xué)教學(xué)緊貼軍事應(yīng)用
20世紀(jì)以來(lái),隨著相對(duì)論和量子理論的相繼出現(xiàn),新的時(shí)空觀和物質(zhì)波等在宇觀和微觀領(lǐng)域取代了牛頓力學(xué)的相關(guān)概念,進(jìn)而激光、紅外等技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生,我們稱其為近現(xiàn)代物理學(xué)時(shí)期.這是物理學(xué)理論向技術(shù)應(yīng)用轉(zhuǎn)化的爆炸時(shí)期.在近現(xiàn)代物理學(xué)部分的教學(xué)中,我們更要加大軍事應(yīng)用素材的挖掘.例如黑體輻射這節(jié)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(zhǎng),T是物體的絕對(duì)溫度,b是與溫度無(wú)關(guān)的常數(shù),其值為b=2.897×10-3m·K[5].
該定律指出,物體的熱力學(xué)溫度T決定著物體輻射的峰值波長(zhǎng)λm.這樣只要知道物體的熱力學(xué)溫度就可以估算出它發(fā)出的熱輻射波的主要波長(zhǎng).比如渦旋噴氣式飛機(jī)的尾噴管溫度約為T=1 000 K,根據(jù)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(jī)是具有較強(qiáng)紅外輻射特征的空中目標(biāo),利用其紅外輻射特征進(jìn)行探測(cè)和反探測(cè)具有一定的實(shí)戰(zhàn)意義[6].目前,紅外線熱成像技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于災(zāi)后搜救及其他的軍事技術(shù)中.
物理學(xué)前沿領(lǐng)域內(nèi)的發(fā)展動(dòng)態(tài)和研究成果與軍事應(yīng)用有著千絲萬(wàn)縷的聯(lián)系.例如電磁超導(dǎo)材料、石墨烯材料、納米科技、激光物理、量子通信、天體物理學(xué)的發(fā)展,為物理學(xué)在軍事領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用提供了廣闊的空間和無(wú)限的潛能.若能在大學(xué)物理教學(xué)中及時(shí)地介紹物理學(xué)的前沿發(fā)展動(dòng)態(tài),一定會(huì)激活軍事應(yīng)用想象空間,拓寬軍事應(yīng)用思維視野.
北京時(shí)間2019年4月10日21點(diǎn)整,天文學(xué)家召開全球新聞發(fā)布會(huì),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(xué)家們動(dòng)用了遍布全球的8個(gè)毫米/亞毫米波射電望遠(yuǎn)鏡,組成了一個(gè)巨大的所謂的“事件視界望遠(yuǎn)鏡”(Event Horizon Telescope,縮寫EHT).在這張極具科學(xué)前沿的照片背后蘊(yùn)藏著頗多的物理學(xué)知識(shí),需要教員緊貼物理學(xué)科前沿來(lái)充分挖掘.例如:
(1)黑洞輪廓的大小和形狀可以從廣義相對(duì)論引力場(chǎng)方程計(jì)算出來(lái),這取決于黑洞的質(zhì)量和角動(dòng)量;
(2)光的傳播速度是30萬(wàn) km/s,黑洞的引力大到連光都無(wú)法逃脫它的“掌控”,即黑洞的逃逸速度超過30萬(wàn) km/s;
(3)為了能夠觀測(cè)到黑洞視界上的物質(zhì)行為,天文學(xué)家所用的“事件視界望遠(yuǎn)鏡”是由8個(gè)毫米/亞毫米波射電望遠(yuǎn)鏡組成的一個(gè)虛擬的、口徑接近整個(gè)地球直徑的“望遠(yuǎn)鏡”.該 “望遠(yuǎn)鏡”已經(jīng)把射電望遠(yuǎn)鏡的分辨率提高到了前所未有的高度,分辨角達(dá)到10~20 μas(1°=3 600 000 000 μas)的程度.哈勃望遠(yuǎn)鏡的分辨角為0.1 as,也就是說(shuō)“事件視界望遠(yuǎn)鏡”的分辨率是哈勃望遠(yuǎn)鏡的數(shù)千倍.
綜上所述,在大學(xué)物理的教學(xué)中,通過加強(qiáng)教員隊(duì)伍建設(shè)、挖掘物理知識(shí)與軍事應(yīng)用之間的聯(lián)系、緊貼物理學(xué)科前沿,打牢基礎(chǔ),求真務(wù)實(shí)拓展視野,促使大學(xué)物理教學(xué)緊貼軍事應(yīng)用,實(shí)現(xiàn)大學(xué)物理教學(xué)貼近部隊(duì)、貼近實(shí)戰(zhàn),為軍事理論和應(yīng)用課程注入更多的高科技含量,為打贏現(xiàn)代化戰(zhàn)爭(zhēng)奠定堅(jiān)實(shí)的物理學(xué)基礎(chǔ).