應(yīng)用惠更斯原理探索“新工科”中的大學(xué)物理教學(xué)改革

熊 偉 ,陳姣姣 ,方保龍 ,陳 鋒 ,曾貴平

(1.合肥學(xué)院 先進(jìn)制造工程學(xué)院, 合肥 230601；2.合肥幼兒師范高等專(zhuān)科學(xué)校 公共教學(xué)部，合肥 230013)

0 引 言

“新工科”的提出是為迎接新技術(shù)革命與產(chǎn)業(yè)升級(jí)培養(yǎng)造就一大批多樣化、創(chuàng)新型卓越工程科技人才，為我國(guó)產(chǎn)業(yè)發(fā)展和國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)提供智力和人才支撐。[1]回顧歷次技術(shù)變革，都是基礎(chǔ)科學(xué)在工程領(lǐng)域和人類(lèi)社會(huì)的廣泛應(yīng)用的結(jié)果，歷次新技術(shù)、新產(chǎn)業(yè)的發(fā)展都讓基礎(chǔ)學(xué)科與工程應(yīng)用學(xué)科結(jié)合的更緊密，新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展所需求的創(chuàng)新也將與基礎(chǔ)科學(xué)有更多的聯(lián)系。所以在創(chuàng)新型卓越工程科技人才的培養(yǎng)過(guò)程中，基礎(chǔ)學(xué)科的作用必不可少。但基礎(chǔ)學(xué)科的教學(xué)如何向應(yīng)用型轉(zhuǎn)變一直是合肥學(xué)院基礎(chǔ)學(xué)科教學(xué)改革的目標(biāo)。本文探索將基礎(chǔ)理論在工程中的應(yīng)用融入基礎(chǔ)理論的教學(xué)，研究大學(xué)物理教學(xué)向應(yīng)用型轉(zhuǎn)變的一種方式。由于大學(xué)物理知識(shí)包含力學(xué)、振動(dòng)與波、熱學(xué)、光學(xué)、電磁學(xué)等多個(gè)方面。本文以波動(dòng)中的基礎(chǔ)理論惠更斯原理為例。1678年，惠更斯在給巴黎科學(xué)院的信件中闡述了他的光波動(dòng)原理，此即惠更斯原理，在機(jī)械波中也同樣成立，惠更斯原理是波動(dòng)理論中的基礎(chǔ)理論，可以解釋波在傳播過(guò)程中的很多現(xiàn)象，作為基本原理，其內(nèi)容非常簡(jiǎn)潔，但在工程技術(shù)中確有著非常重要的應(yīng)用。將其在工程技術(shù)中應(yīng)用融入理論教學(xué)，可以讓學(xué)生對(duì)基礎(chǔ)理論與工程技術(shù)的結(jié)合有直觀的認(rèn)識(shí)，提高利用基礎(chǔ)知識(shí)創(chuàng)新的能力，加深對(duì)越是基礎(chǔ)知識(shí)，其創(chuàng)新性的應(yīng)用就越具有革命性的突破。

1 新工科下的惠更斯原理應(yīng)用

圖1 平面波和球面波在各向同行均勻的介質(zhì)中傳播

惠更斯原理指出介質(zhì)中波陣面(波前)上的各點(diǎn)，都可以看作為發(fā)射子波的波源，其后任一時(shí)刻這些子波的包跡便是新的波陣面。如圖1所示，在各向同性均勻介質(zhì)中傳播的波，圖中射線(xiàn)稱(chēng)為波射線(xiàn)，代表波的傳播方向，與波射線(xiàn)垂直的平面是波面，最前面的波面稱(chēng)為波前，圖中所示射線(xiàn)終端是t時(shí)刻波前，此時(shí)每條射線(xiàn)的終端處都可以看成一個(gè)子波，子波發(fā)出的球面波傳播Δt時(shí)間后，子波的包跡就是t+Δt時(shí)刻的波前，從圖中可以顯見(jiàn)平面波的傳播一段時(shí)間后還是平面波，球面波傳播一段時(shí)間還是球面波，雖然平面波與球面波在傳播的過(guò)程中波面不會(huì)發(fā)生改變，但是統(tǒng)一到最基本的子波源，都是以球面波在介質(zhì)中傳播。[2-3]

看上去惠更斯原理是不是很簡(jiǎn)單呢？但就是這一簡(jiǎn)單的原理有著驚人的用處！惠更斯原理可以解釋波在傳播過(guò)程中的波的反射、折射、衍射，以及更復(fù)雜的光在晶體中的雙折射，除此之外，這個(gè)最基本的原理在雷達(dá)技術(shù)也有著驚人的應(yīng)用。

雷達(dá)是指利用電磁波探測(cè)目標(biāo)的電子設(shè)備。雷達(dá)發(fā)射電磁波對(duì)目標(biāo)進(jìn)行照射，并接收目標(biāo)的反射回波，通過(guò)對(duì)接收到反射波方向、時(shí)間、頻率等進(jìn)行測(cè)量，可以獲得目標(biāo)至電磁波發(fā)射點(diǎn)的距離、距離變化率(徑向速度)、方位、高度等信息。傳統(tǒng)雷達(dá)波束如圖2所示，圖中θ為雷達(dá)波束的張角，張角θ的大小取決于雷達(dá)發(fā)射電磁波的頻率和雷達(dá)天線(xiàn)的孔徑大小。傳統(tǒng)雷達(dá)發(fā)射的電磁波束隨著傳播距離的增加，波面會(huì)越來(lái)越大，造成單位空間內(nèi)電磁波的能量越來(lái)越小，距離太大之后，使得反射回波不能被雷達(dá)探測(cè)到。傳統(tǒng)的方法是增加雷達(dá)的功率，增加電磁波束的能量輸出，但是雷達(dá)的功率并不能無(wú)限增加，所以傳統(tǒng)雷達(dá)探測(cè)的距離是有限的。另一方面我們也看到由于雷達(dá)波束存在張角，使得雷達(dá)探測(cè)存在一定的盲區(qū)，并且越接近雷達(dá)，盲區(qū)占比就越大。為了克服這一點(diǎn)傳統(tǒng)雷達(dá)要不停的做機(jī)械旋轉(zhuǎn)，為了方便做機(jī)械旋轉(zhuǎn)，又會(huì)限制雷達(dá)孔徑的大小。由于頻率越大，孔徑越小，張角θ就越大，張角越大，探測(cè)距離就變小，如果張角太小探測(cè)盲區(qū)就變大，機(jī)械旋轉(zhuǎn)的速度就要加快。[4]

如果我們可以使雷達(dá)波束近似以平面波傳播，那么就可以使相同功率的雷達(dá)探測(cè)的距離更遠(yuǎn)。這要如何實(shí)現(xiàn)呢？在此，惠更斯原理就顯示出其強(qiáng)大的能力了。雖然單個(gè)波源發(fā)射的是球面波，如果用很多波源排成一個(gè)平面的陣列，發(fā)射的雷達(dá)波束就可以獲得近似平面的雷達(dá)波束，原理如圖3所示，圖中以三個(gè)點(diǎn)波源為例，描述多個(gè)波源排成陣列形式，雖然每個(gè)波源發(fā)射的是球面波，但多個(gè)波源的陣列組合，可以發(fā)射出平面波束，理想的平面波束在傳播過(guò)程中波面大小不變，每個(gè)區(qū)域波的能量也不會(huì)減少，但由于在波束的邊緣波面仍然會(huì)發(fā)散，并且介質(zhì)也會(huì)吸收波的能量，所在探測(cè)距離仍是有限的，但是同功率，同能量輸出的情況下仍比傳統(tǒng)雷達(dá)探測(cè)的更遠(yuǎn)。

圖2 雷達(dá)波束的張角 圖3 三個(gè)點(diǎn)波源構(gòu)成的波源陣列

另一方面，這種陣列形式的雷達(dá)仍然有盲區(qū)，為了探測(cè)大的范圍和跟蹤目標(biāo)，要求雷達(dá)波束能在空間自由地移動(dòng)和掃描。但對(duì)于陣列形式的雷達(dá)可以不用機(jī)械旋轉(zhuǎn)就能做到讓電磁波束在空間移動(dòng)方向。為了雷達(dá)波束能在空間自由地掃描。只要控制各個(gè)波源的相位就可以了，如果控波源1到3的相位依次超前，則雷達(dá)探測(cè)波束如圖4所示；如果控波源1到3的相位依次落后，則雷達(dá)探測(cè)波束如圖5所示。這種通過(guò)相位控制陣列實(shí)現(xiàn)雷達(dá)電磁波在空間掃描的雷達(dá)就是相位控制陣列雷達(dá)，簡(jiǎn)稱(chēng)相控陣?yán)走_(dá)。實(shí)際相控陣?yán)走_(dá)的天線(xiàn)陣面由許多個(gè)輻射單元和接收單元(稱(chēng)為陣元)組成，這些輻射單元就可以看成是一個(gè)個(gè)小的波源，單元數(shù)目和雷達(dá)的功能有關(guān)，可以從幾百個(gè)到幾萬(wàn)個(gè)。這些單元有規(guī)則地排列在平面上，構(gòu)成陣列天線(xiàn)，只要控制各個(gè)單元的相位就可得向不同方向發(fā)射的電磁波，當(dāng)然控制各個(gè)單元的相位就不是惠更斯原理的應(yīng)用了。

圖4 相位超前的波源1和波源3的波束 圖5 相位落后的波源1和波源3的波束

2 結(jié) 論

通過(guò)將物理學(xué)中的基本原理在工程技術(shù)中的應(yīng)用融入大學(xué)物理的教學(xué)，一方面可以提高學(xué)生的興趣，另一方面也讓學(xué)生在學(xué)習(xí)中體會(huì)當(dāng)基礎(chǔ)科學(xué)發(fā)生的重大變革時(shí)對(duì)工程技術(shù)和人類(lèi)的活動(dòng)產(chǎn)生的影響。同樣是惠更斯原理，隨著現(xiàn)代的LED照明技術(shù)的進(jìn)步，惠更斯原理在LED照明燈的設(shè)計(jì)也有著廣泛的應(yīng)用——如利用LED發(fā)光二極管排成陣列的面光源。這也可以讓同學(xué)認(rèn)識(shí)到基礎(chǔ)知識(shí)雖然古老，但隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，其使用不是越來(lái)越少，而是越來(lái)越多，從而認(rèn)識(shí)到學(xué)習(xí)基礎(chǔ)知識(shí)的重要性。像惠更斯原理這樣的基礎(chǔ)理論在工程技術(shù)中有著重要的應(yīng)用物理知識(shí)還有很多，像讓人類(lèi)跨越一個(gè)文明時(shí)代的熱學(xué)理論和電磁學(xué)理論。本文旨在拋磚引玉，希望更多的大學(xué)物理教師投入的“新工科”背景下的大學(xué)物理教學(xué)向應(yīng)用型轉(zhuǎn)變的教學(xué)改革中來(lái)。