陳 宏 張世全

(武警工程大學(xué)基礎(chǔ)部 陜西 西安 710086)

1 引言

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，其實質(zhì)是通過軍事、科技、人文相結(jié)合的教育，為初級指揮軍官打好寬廣厚實的科學(xué)文化基礎(chǔ)和堅實過硬的軍事素質(zhì)，增強可持續(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)用是實現(xiàn)新時期軍事教育培養(yǎng)目標(biāo)的重要舉措.因此，按照軍隊院校教育教學(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，瞄準(zhǔn)實戰(zhàn)化標(biāo)準(zhǔn)實施教學(xué)，為實現(xiàn)院校教育與部隊訓(xùn)練有效對接、實現(xiàn)課堂與戰(zhàn)場有效對接提供有力支撐，進而實現(xiàn)院校教育、部隊訓(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、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、貼近實戰(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.

2 軍隊院校大學(xué)物理課程教學(xué)現(xiàn)狀分析

目前軍隊院校大學(xué)物理教學(xué)中存在的問題，具體表現(xiàn)為以下幾個方面：首先，從事大學(xué)物理教學(xué)的年輕教員對大學(xué)物理教學(xué)與軍事應(yīng)用的關(guān)系存在著模糊認(rèn)識，對大學(xué)物理教學(xué)緊貼軍事應(yīng)用的重要性認(rèn)識不足；其次，大學(xué)物理教學(xué)與部隊訓(xùn)練嚴(yán)重脫節(jié)，“軍味”不足，教員對學(xué)員和部隊的需求了解不夠，實際教學(xué)中很少將物理知識與現(xiàn)代化軍事技術(shù)相聯(lián)系并進行拓展；第三，部分學(xué)員在學(xué)習(xí)中不同程度地存在“文化課無用說”“物理無用說”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)用勢在必行.

3 大學(xué)物理教學(xué)緊貼軍事應(yīng)用的探索與實踐

為了實現(xiàn)大學(xué)物理教學(xué)緊貼軍事應(yīng)用的教學(xué)理念，我們從以下幾個方面進行了探索與實踐.

3.1 加強教員隊伍建設(shè) 打牢大學(xué)物理教學(xué)緊貼軍事應(yīng)用的隊伍基礎(chǔ)

軍隊院校文化課教育要按照戰(zhàn)爭和部隊的發(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，教員深入了解部隊所需和學(xué)員所需，是實現(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)的機會了解學(xué)員學(xué)習(xí)所需、專業(yè)所需、部隊所需.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、知識融合、教學(xué)相長”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”的新時代現(xiàn)代化教育模式為契機，隨時做好為自身充電的準(zhǔn)備.不但要精通大學(xué)物理知識，還要涉獵人文知識，注重交叉學(xué)科知識的學(xué)習(xí).例如，要加強軍事理論、軍校教育理論和軍事前沿等知識的學(xué)習(xí).

(3)實行教員部隊代職培訓(xùn)，使教員從實踐中更多地了解部隊現(xiàn)代化建設(shè)和實踐的需求，了解大學(xué)物理在軍事技術(shù)中的實際應(yīng)用，為大學(xué)物理課程緊貼軍事應(yīng)用打下堅實的基礎(chǔ).其中，更為重要的是要加大文職人員部隊培訓(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，更難把握物理知識在軍事技術(shù)中的應(yīng)用.所以加大文職教員部隊培訓(xùn)的力度是實現(xiàn)大學(xué)物理課程緊貼軍事應(yīng)用、增強教學(xué)針對性的重要環(huán)節(jié).

3.2 挖掘物理知識與軍事應(yīng)用之間的聯(lián)系 促使大學(xué)物理教學(xué)緊貼軍事應(yīng)用落地生根

要把大學(xué)物理教學(xué)緊貼軍事應(yīng)用落到實處，就要求教員在日常的教學(xué)中注重挖掘物理知識與軍事應(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)，每一個新理論的建立，都對科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和人類文明的進步有著巨大的推動作用，我們發(fā)現(xiàn)，先進的科學(xué)理論和技術(shù)手段越來越迅捷地應(yīng)用于軍事技術(shù)領(lǐng)域，大學(xué)物理各篇章中的知識，無不緊密地聯(lián)系著軍事技術(shù)應(yīng)用的各個領(lǐng)域.

在教學(xué)實踐中，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、噴氣式飛機尾噴管等.要求學(xué)員運用所學(xué)物理知識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，而且從思想上讓學(xué)員體會到物理學(xué)的應(yīng)用之廣，消除“物理無用”的錯誤思想.使大學(xué)物理教學(xué)進一步向部隊靠攏，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)機械運動規(guī)律的科學(xué).它與人們的日常生活緊密聯(lián)系，在軍事活動中更是離不開力學(xué)知識.

例如，在力學(xué)部分運動學(xué)的教學(xué)中，用拋體運動來研究忽略空氣阻力時火炮的外彈道理論.如圖1所示，根據(jù)斜拋運動的運動學(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)上述運動規(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，在講解動量定理的時候，為了讓學(xué)員更好地理解動量是反映機械運動傳遞本領(lǐng)的一個物理量，理解動量定理的物理意義，并能夠更好地利用已有的物理知識解決或解釋實際現(xiàn)象.筆者在教學(xué)過程的最后以軍事實例設(shè)置如下的作業(yè).

美國隱形戰(zhàn)略轟炸機“B-1”剛研制出來時，進行空中飛行訓(xùn)練，當(dāng)掠過一個湖泊時，飛機突然失控，一頭墜毀在湖對面的岸上.調(diào)查結(jié)果是，一只重6.8 kg的鵜鶘“擊落”了飛機[4].請查詢相關(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緊密地貼近了軍事應(yīng)用，極大地調(diào)動了學(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，它起源于人類對冷熱現(xiàn)象的探索.熱學(xué)知識在軍事中的應(yīng)用實例不勝枚舉.例如，在講到氣體絕熱膨脹時，我們可以將其與槍械消音器的工作原理相聯(lián)系.

槍聲的來源主要是火藥爆炸時產(chǎn)生大量的高溫、高壓氣體，這些氣體推動彈頭從槍膛內(nèi)射出時，就像拔出瓶塞一樣，子彈后面的高壓氣體會在槍口突然激烈膨脹，引起空氣振動而發(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，進入消音器后，遇到第一個腔室，子彈后面高溫高壓的氣體就在這里絕熱膨脹，對外做功，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.可見對外做功直接引起溫度的降低.同時，由絕熱方程

(3)

(式中，P,T分別為氣體壓強和溫度，γ為氣體的比熱容比，γ>1，C為常數(shù))可知，溫度降低時壓強也隨之降低.

子彈最終通過消音器的洞口時，已經(jīng)過多個腔室的絕熱膨脹，氣體的壓強和溫度已經(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、磁場的規(guī)律，電場和磁場的相互聯(lián)系，電磁場對電荷、電流的作用，以及電磁場對物質(zhì)的各種效應(yīng)等.電磁學(xué)的研究和應(yīng)用在認(rèn)識客觀世界和改造客觀世界中展現(xiàn)了巨大的活力，同時也深刻地影響著武器裝備的發(fā)展.

19世紀(jì)，英國科學(xué)家法拉第發(fā)現(xiàn)了法拉第電磁感應(yīng)定律，發(fā)現(xiàn)了運動的電荷和電流在磁場中會受到洛倫茲力的作用，同時，如果讓導(dǎo)線在磁場中作切割磁感應(yīng)線的運動，導(dǎo)線上也會產(chǎn)生感應(yīng)電動勢或感應(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、德國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，產(chǎn)生的交變磁場就會在彈丸線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電流.感應(yīng)電流的磁場與加速線圈電流的磁場互相作用，產(chǎn)生電磁場力，使彈丸加速運動并發(fā)射出去.

1920年法國人維勒魯伯發(fā)明了電磁軌道炮.它由兩條平行的長直導(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，強大的電流從一導(dǎo)軌流入，經(jīng)滑塊從另一導(dǎo)軌流回時，在兩導(dǎo)軌平面間產(chǎn)生強磁場，通電流的滑塊在安培力的作用下，會以很大的亞光速速度射出.長為L，通電流為I的導(dǎo)線所受安培力可表示為

F=IBLsinθ

(4)

式中，θ為電流與磁場方向之間的夾角，B為磁感應(yīng)強度的大小.

圖3 電磁軌道炮原理圖

電磁炮是利用電磁場產(chǎn)生的安培力或洛倫茲力來對金屬炮彈進行加速，使其達到打擊目標(biāo)所需的動能.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.2015年美國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.電磁炮在未來武器的發(fā)展計劃中，已成為越來越重要的組成部分.

3.2.4 波動光學(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)波動理論研究光的傳播及光與物質(zhì)相互作用規(guī)律的波動光學(xué)是光學(xué)的一個物理學(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.那么我們在講“夫瑯禾費圓孔衍射”時，其重要應(yīng)用就是光學(xué)儀器的分辨率.滿足瑞利判據(jù)的兩物點間的距離，就是光學(xué)儀器所能分辨的最小距離.此時，兩個物點對透鏡中心所張的角

(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，隨著相對論和量子理論的相繼出現(xiàn)，新的時空觀和物質(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，進而激光、紅外等技術(shù)應(yīng)運而生，我們稱其為近現(xiàn)代物理學(xué)時期.這是物理學(xué)理論向技術(shù)應(yīng)用轉(zhuǎn)化的爆炸時期.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，T是物體的絕對溫度，b是與溫度無關(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.比如渦旋噴氣式飛機的尾噴管溫度約為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).飛機是具有較強紅外輻射特征的空中目標(biāo)，利用其紅外輻射特征進行探測和反探測具有一定的實戰(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.

3.3 緊貼物理學(xué)科前沿 拓展大學(xué)物理教學(xué)緊貼軍事應(yīng)用的思維視野

物理學(xué)前沿領(lǐng)域內(nèi)的發(fā)展動態(tài)和研究成果與軍事應(yīng)用有著千絲萬縷的聯(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限的潛能.若能在大學(xué)物理教學(xué)中及時地介紹物理學(xué)的前沿發(fā)展動態(tài)，一定會激活軍事應(yīng)用想象空間，拓寬軍事應(yīng)用思維視野.

北京時間2019年4月10日21點整，天文學(xué)家召開全球新聞發(fā)布會，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)家們動用了遍布全球的8個毫米/亞毫米波射電望遠(yuǎn)鏡，組成了一個巨大的所謂的“事件視界望遠(yuǎn)鏡”(Event Horizon Telescope，縮寫EHT).在這張極具科學(xué)前沿的照片背后蘊藏著頗多的物理學(xué)知識，需要教員緊貼物理學(xué)科前沿來充分挖掘.例如：

(1)黑洞輪廓的大小和形狀可以從廣義相對論引力場方程計算出來，這取決于黑洞的質(zhì)量和角動量；

(2)光的傳播速度是30萬 km/s，黑洞的引力大到連光都無法逃脫它的“掌控”，即黑洞的逃逸速度超過30萬 km/s；

(3)為了能夠觀測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個毫米/亞毫米波射電望遠(yuǎn)鏡組成的一個虛擬的、口徑接近整個地球直徑的“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“事件視界望遠(yuǎn)鏡”的分辨率是哈勃望遠(yuǎn)鏡的數(shù)千倍.

4 結(jié)束語

綜上所述，在大學(xué)物理的教學(xué)中，通過加強教員隊伍建設(shè)、挖掘物理知識與軍事應(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)實拓展視野，促使大學(xué)物理教學(xué)緊貼軍事應(yīng)用，實現(xiàn)大學(xué)物理教學(xué)貼近部隊、貼近實戰(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)爭奠定堅實的物理學(xué)基礎(chǔ).