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物理海洋学知识在大学物理教学中的融入研究

2020-08-12 268 上传者：管理员

摘要：以学科交叉融合的教学理念开展大学物理教学改革是值得深入探索的教革思路.本文介绍了在大学物理教学中融入物理海洋学知识,将海水运动、压强梯度、速度梯度、切应力、引潮力、海水电导率和大学物理教学进行有机结合,有利于激发学生学习兴趣,开阔学生海洋视野,培养创新能力.

关键词：
大学物理
学科交叉融合
海水运动
物理教学
电导率
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学科交叉融合教育是高等教育发展的必然趋势.2018年9月,李言荣院士在“综合大学的学科交叉融合机制”报告中指出:多学科交叉融合是创新的源泉,是高校学科发展的必然趋势.新时代高校的当务之急,是要通过多学科交叉融合提高学科建设水平,为提升高校创新能力和竞争力提供有力支撑[1].

物理学是一门古老的自然学科,它深刻揭示了客观世界规律,物理学的思想与方法对整个自然科学、社会科学的发展都有着重要的贡献.百年诺贝尔自然科学奖中,很多项目是物理学与其他学科交叉融合的成果,如著名的DNA分子双螺旋结构的发现就是物理学、生物学、化学交叉融合的结果,在诺贝尔化学奖、生物及医学奖,甚至经济学奖的获奖者中,有一半以上的人具有物理学背景[2],这意味着物理学与其他学科交叉融合更具先进性.以学科交叉融合的教学理念开展物理教学改革越来越受到广大物理教学工作者的重视,有的高校将地球科学、天体物理、飞行系统、水电站知识、材料科学等与大学物理教学有机结合,开展跨学科的大学物理教学改革,有效提高了大学物理的教学效果[3,4,5,6,7].

我校人才培养面向海洋国防,学生专业学习和岗位任职都与海洋息息相关.最近几年,我们基于“贴近海洋、厚实基础、强化能力、注重综合”的教改思路,将物理海洋学知识有机融入大学物理教学,开阔学生海洋视野,发展学生创新思维.本文主要介绍将海水运动、电导率等内容融入大学物理的教学实践.

1、海水运动

牛顿第一定律明确了力是改变物体运动状态的原因.因此,海水的各种运动如波动、潮汐等也都是在力的作用下产生的,其运动规律同其他物体一样遵循牛顿运动定律.引起海水运动的力除了重力(海水所受地心引力和惯性离心力的合力)外,还有压强梯度力、引潮力等,并且由于海水运动后还会派生出其他力,如科里奥利力、切应力等.因此,分析海水的运动需要综合分析海水的各种力学因素.

1.1 压强梯度力

根据牛顿运动定律,当海水静止时,单位质量海水所受合力为零.由此可以推断,一定还存在一个与重力大小相等、方向相反的力与其平衡.这是什么力呢?

取海面为坐标原点,z轴向上为正,设海水密度均匀,大小为ρ,则海面以下-z深度上的压力为p=-ρgz,取微分形式为:dp=-ρgdz,得g=−1ρdpdzg=-1ρdpdz.如果把g理解为单位质量海水的重力,则−1ρdpdz-1ρdpdz就是与g平衡的力,它与压强梯度成正比,故称之为压强梯度力,负号表示力的方向与压强梯度方向相反,如图(a)所示静态海洋中压强梯度力与重力平衡.如果压强分布相对等势面发生倾斜,压强梯度力和重力的合力将使得海水产生运动,如图(b)所示.通过引入由压强随深度变化而形成的压强梯度力,启发学生理解物理量随位置变化而形成物理量梯度的概念,比如速度梯度、电势梯度等,同时也引导他们用于分析存在于海洋中的其它动力因素,如切应力.

图1单位质量海水的压强梯度力和重力

1.2 切应力

当两层流体作相对运动时,由于流体的黏滞性,在界面上产生一种切向作用力,即剪切力,它与垂直两层流体界面方向上的速度梯度成正比.切应力是单位面积上所产生的剪切力,其表达式为

τ=μdvdnτ=μdvdn(1)

n为界面法线方向,μ为分子黏度.

如何分析单位质量海水所受的剪切力呢?在笛卡尔坐标系中,取边长为Δx、Δy、Δz的小立方体海水,为了简化问题分析,设海水只沿x方向运动,且只在z方向上存在速度梯度∂v∂z∂v∂z,如图2所示.则小立方体侧向四个面上的切应力为零,设上、下两个面所受的切应力分别为τ1、τ2,则上、下两面所受剪切力的合力为(τ1-τ2)ΔxΔy,则单位体积海水所受剪切力的合力为

(τ1−τ2)ΔxΔyΔxΔyΔz=(τ1−τ2)Δz(τ1-τ2)ΔxΔyΔxΔyΔz=(τ1-τ2)Δz(2)

将式(1)代入式(2),并取微分得

Fx=∂∂z(μ∂v∂z)Fx=∂∂z(μ∂v∂z)(3)

式(3)即为单位体积海水在x方向上所受剪切力的合力.由式(3)不难得到单位质量的海水所受剪切力为

Fx=1ρμ∂2v∂z2Fx=1ρμ∂2v∂z2(4)

图2海水立方体上的切应力

1.3 引潮力

海洋的潮汐现象与人类关系密切,如海港工程、军事活动、航运交通、水产业等.它是指海水在天体引潮力作用下所产生的周期性运动,通常把海面铅直涨落称为潮汐,海水在水平方向的流动称为潮流.什么是天体引潮力呢?

在地-月系统中,地球绕地月公共质心公转,使得地球各质点都受到大小相等、方向相同的公转惯性离心力的作用,大小为:fc=GMD2,Mfc=GΜD2,Μ为月球质量,G为万有引力常数,D为地-月中心距离;根据万有引力定律,单位质量海水所受月球引力为:fm=GMr2,rfm=GΜr2,r为海水到月心的距离,以上两种力的合力就是引潮力,即

f引潮力=fc+fm=GMD2ei+GMr2erf引潮力=fc+fm=GΜD2ei+GΜr2er(5)

图3表示地-月系统中单位质量海水所受的力.理论证明在地心参考系中,太阳系外星体的引潮力可以忽略不计,月球的引力虽然比太阳的引力小2个数量级,但月亮的最大引潮力比太阳的最大引潮力大1个数量级,所以大海的潮汐主要依赖于月亮[8].

图3惯性离心力、月球引力及引潮力

综合以上分析,单位质量海水的运动方程为

dVdt=g+F剪切力−1ρdVdt=g+F剪切力-1ρP+f引潮力-2ω×V(6)

其中,g为单位质量海水所受重力,−1ρ-1ρP为压强梯度力,-2ω×V为科氏力.

2、海水电导率

电导率σ是用来描述物质导电能力的参数,它与材料种类有关.利用导体材料电阻公式R=l/σs以及欧姆定律(微分形式)j=σE不难实现测量固体的电导率,但溶液(如海水)的电导率如何测量呢?

测量电解质溶液电导率时,将传感器放入待测溶液(电导池)中,传感器由两个具有一定尺寸、间隔一定距离的电极组成,采用交流激励信号E作用于电导池的两电极板,通过测量电导池常数K和两电极板之间的压降V和回路电流I,按σ=KI/V求得电导率.其测量原理如图4所示,其中R是信号源内阻,I是回路电流,V是电导池压降.

海水电导率对于精确测定海水的盐度具有重要意义.盐度是海水含盐量的定量量度,是海水的重要参数之一,其分布和变化规律是影响和制约海洋物理现象的重要因素.由于海水盐度不同,其电导特性也不同,因此可以通过电导法来确定海水盐度.

图4电导率测量原理图

3、学科交叉融合促进创新实践

学科交叉融合是培养具有创新能力人才的重要途径.教学实践证明,将物理学与海洋相互联系,对学员的物理思维向着开放性、创造性和综合性发展起到积极的推动作用.近几年来,学员们积极思考如何将物理学原理应用于海洋环境并开展创新实践活动,如学员刘某将电磁感应定律和双弹簧振子相结合创新设计了海浪振动发电演示装置;学员李某用水泵水囊改变重力、浮力调节机身姿态设计制作了水下滑翔机演示仪;学员邱某巧妙设计制作了氨水循环系统可在海上进行太阳能发电的模拟装置;学员非某利用超空泡减阻原理设计了一种水下发射装置——堂口差动泄压器;学员林某利用电磁感应、机械振动原理设计制作了舰船综合平衡台等,这些物理创新实践作品在“八一杯”军校大学生物理科技创新、湖北省大学生物理实验创新设计等竞赛中均取得了一等奖的优异成绩.

4、结束语

海军院校教学面临新的挑战,培养卓越海军军事人才必须加强学科交叉融合.在大学物理教学中融入物理海洋学的知识,将海水运动、压强梯度、速度梯度、切应力、引潮力、电导率等知识点与大学物理相关教学结合,激发了学员将物理学知识应用于海洋的热情,引起了学员在物理学习上的共鸣.通过教学改革尝试,不仅开阔学员的海洋视野,加深理解物理学理论和方法,培养他们解决复杂问题的综合能力,还能增强他们为海洋国防研究奋斗的使命感.

参考文献：

[1]李寰.高校适应新时代发展学科交叉融合是趋势[N].四川日报,2018-9-24(7).

[2]孙真荣.积极推进学科交叉融合全面提升高校创新能力[J].中国高等教育,2013(1):1-4.

[3]张建,胥馨,刘红梅.大学物理教学中的学科渗透与融合[J].物理通报,2016(11):35-37.

[4]杨光弟,黄锑儒,靳林.大学物理教学与地球科学的有机结合[J].高师理科学刊,2011,31(4):95-97.

[5]黄品文.融入水电站知识的大学物理教学尝试[J].大学物理,2014,33(9):44-46.

[6]陈文聪,刘伟民.大学物理教学与现代天体物理的有机结合[J].大学物理,2008,27(12):57-59.

[7]王萍.在材料类专业大学物理教学中引入新材料概念[J].科技信息,2010(1):112.

[8]高炳坤.无法避免的惯性力[J].大学物理,2007,26(10):1-4.

姚陆锋,杨海彬,陈聪.大学物理教学中融入物理海洋学知识的实践探索[J].大学物理,2020,39(08):48-50+67.