动量流的破坏作用.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,动量流,强度,和动量流密度,及其破坏作用,报告人：吴 国 玢,上海理工大学,2026/4/8 周三,1,摘 要,本报告阐述了德国卡尔斯鲁厄物理教程,(,KPK,),中有关动量流强度和动量流密度的概念，讨论了它们对于物体所产生的破坏作用。作者希望以此为例来表明在物理教学中采用这些,KPK,概念的有效性和优越性。,1,引 言,在科学发展史上曾多次出现这样一种情况：由于当时,科技发展和人们认识水平的限制，一些重要著作和研,究成果在刚面世时不被科学界所接纳。多年后，当人,们普遍开始意识到它们的重要价值时，往往已为时过,晚。因为此时要想去改变现状或进行纠正，已变得相,当困难,不费很大力气不下很大工夫就难以纠正过来。,物理学中关于,动量流,的概念就是一个突出的例子。,由牛顿所构建的物理量“力”及其相应的名词,术语相当复杂而且繁琐。其实，力的本质就是,动,量流的强度,。德国著名物理学家普朗克（,Max,Planck,）在他于,1908,年出版的著作中早就提出过,这一观点，可惜长期以来一直为人们所忽视。在,德国,卡尔斯鲁厄物理教程,（,KPK,）中，动量流强,度的概念不仅得到了接纳，而且成为其力学的核,心组成部分。,发明专利,2,动量流强度与力,为便于说明问题，下面的讨论仅限于物体的一维运动。,设在时间间隔,t,内流经动量流导体（例如一根拉动小车,的绳子）横截面的动量为,p=,(,mv),，那么在单位时间,内流过该横截面的动量就定义为动量流强度,I,p,I,p,=,p/,t,（,1,),对于有动量流入的物体而言，如果它的动量在,t,时间内,的增量为,p,，那么该物体的动量变化率就是,p/,t,。,可见上式还可以用来表示，流入物体的动量流强度等于该,物体的动量变化率。动量流强度通常可简称为动量流。,发明专利,由于动量流强度和力（,force,）所描述的实际上是同一个物,理量，所以在,KPK,力学中也用符号,F,来表示动量流强度。,这样，式（,1,）可改写为,F,=,p/,t=,(,mv),/,t2,),上式的微分形式正是大家所熟悉的牛顿第二定律。在,KPK,力学中,动量的概念在先,动量流（力）的概念在后,.,这样,的次序顺理成章，有利于教与学。此外，用动量流的概念,来解释许多物理现象要比用力的概念,胜出一筹,。这不仅有,利于学生掌握所学物理知识本身,而且能 帮助他们运用类,比的方法去掌握一些其他学科的知识，做到举一反三、融,会贯通。下面以动量流的“,破坏作用,”为例加以说明。,发明专利,流过物体的动量流（作用于物体的作用力）过大时，物体,可能会发生断裂或破碎,.,人们有时希望避免这种现象,有时,却又希望利用这种现象。例如：,1.,用一根细绳拉动重物时,得慢慢使劲,不能猛拉；,2接篮球时,手掌得沿着球运动方向顺延一小段时间；,3.,汽车碰撞时,其中的,”,挤压区,”,会,产生一定程度的折叠。,上述措施都是试图增加,t,，,以,减小动量流强度,F,。,当人们有意去破坏某物时,往往通过缩短,t,来增加动量流强度,F,.,如果你想用榔头砸碎一块砖,你就必须猛然敲击，让动量流在很短的瞬间内流入砖块。此时，任何拖泥带水（即延长,t,）的动作都不能奏效。,发明专利,不难看出，由于时间因素,t,的介,入，运用,动量流,的概念来解释上述物,理现象显得理由充足、令人信服。教,师感到得心应手,学生觉得明白易懂。,然而，运用,力,的概念来进行解释是无,法达到如此效果的。,发明专利,3,动量流密度与应力,实际上,为了避免前面例子中的那根细绳被拉断,除了延,长,t,以外,我们还可以用较粗的绳子来代替细绳,即增大绳,子的横截面积,A,。为了深入讨论此类问题,有必要引入一,个新的物理量：,动量流密度,。,定义,:,如果在时间间隔,t,内流过横截面积为,A,的物体的,动量为,p,，那么在单位时间内流过单位横截面积的动量,就是动量流密度,j,p,j,p,=,p/A,t=F,/A,（,3,),发明专利,容易看出，动量流密度就是流过单位横截面积的动量流强,度。由于动量流密度和,应力,所描述的是同一个物理量，所,以我们也可以用应力符号,来表示动量流密度,=,p/A,t=,(mv)/A,t=F/A,（,4,),以前面讨论过的绳子为例，流经绳子的动量流密度就是绳,子内的拉伸应力。增加面积,A,动量流密度,减小,绳子不,易拉断。坦克车和拖拉机上的履带能在松软的土地上行走,自如,也是由于其面积大而显著减小流入地面的动量流密,度所致。反之,钉子、刀子、剪子等工具之所以锐利,可以,用来破坏物体,是因为它们的尖端或锋刃横截面积,A,很小,致使流入物体的动量流密度,极大。,发明专利,汽车的安全带和安全气囊的设计综合了对于（,4,）式分,母中时间间隔,t,和截面积,A,这两方面因素的考虑。,汽车发生碰撞事故时,它会迅即停住将它的动量传递出,去。此时的动量流必然很大，容易造成车毁人亡。安全带,和安全气囊既可以延长,t,又可以增大面积,A,从而大大,降低动量流密度,有效地起到了保护人身安全的作用。,综上所述,可见要想判断动量流对物体的破坏作用，不,应单纯考虑动量流强度（,力,）的大小,更应考虑动量流密,度（,应力,）的大小,.,事实上,物体是否遭到破坏不仅与动量,流的大小有关,而且还与物体的组成,材料,有关。,发明专利,4,动量流破坏作用的类比举例,使用动量流的概念不仅有利于解释物理现象,而且还有利,于进行类比。,通过类比，物理学各分支学科之间在结构上,的相似性得以凸显出来,.,如果将,流强度,和,流密度,的概念在,力学和电学之间进行类比,那么不难发现,与动量流过大会,破坏动量流导体一样电流过大也会烧坏电流导体,.,与细绳,内的动量流密度,(,拉伸应力,),过大会使绳子断裂一样,流体输,送管道内的压强,(,压缩应力,),过高也会使管道爆裂,.,为了避免,此类事故,须在管道上安装,安全阀,.,它的功能与保护电路的,保险丝,一样，都是为了限制管路（电路）内的 流密度。,发明专利,就物理教学而言，采用类比方法的积极意义显,而易见。它不仅有利于学生的理解和记忆,而且还,能帮助他们融会贯通,启发他们的联想和系统思维,能力,产生触类旁通、事半功倍的效果,从而大大,提高学习效率。,KPK,教学实践表明,采用多样化的类比能够活跃,课堂氛围,加强师生互动,提高学生的学习兴趣,激,发他们的创新意识。参试学生普遍反映良好,认为,这门课开阔了他们的视野,拓展了他们的思路，能,够在相同的时间内学到更多的知识。,发明专利,5,结 论,(1),KPK,物理学将一些广延量（如动量、电荷量、熵、能量等）视为各分支学科中的中心物理量，并称之为,物质型物理量,.,通过引入时间因素,建立这些量的,流,以及相应的,流强度,和,流密度,等与,时间,相关的概念，从而使得这些分布在空间内的量不仅与空间有关,而且直接与时间有关,.,这样的处理方式仿佛是在替它们注入一种,生命力,使那些原来看上去静止的物理量能,流动,起来。由于时间和空间因素的同时引入,用动量流的概念来解释物理现象更令人信服,学生更容易接受,.,事实上,这样做与辩证唯物主义的观点“,时间和空间是运动物质的存在形式,”完全相符。换言之，与力的概念相比，动量流概念的哲学基础更为先进,因而更胜一筹,。,发明专利,(2),流、流强度和流密度等概念的引入,一,方面可以改善人们对于物理现象的理解或,认识深度，同时又使开展,广泛的,类比,成为,可能。这些类比不仅十分有利于教学，而,且对于,凸显,物理学各分支学科之间的规律,性,揭示,其内在有机联系,构建,统一的认知,结构具有重大意义。,发明专利,(3),在传统力学教学中,也会讨论一些类似于绳子是否会被,拉断那样的问题,但一般以分析力的大小为重点,.,学生的注,意力或思考通常被引向求解力的数值且止于此,而不大会,去讨论,作用时间,和,作用面积,这些造成物体破坏的主要影响,因素,.,这样,学生对于物理现象的认识深度，或者说对于现,象本质的了解就很难到位,往往是,知其然而不知其所以然,.,(4),我国的,KPK,课程教学实验还刚刚开始,.,虽然目前已取得,了初步成果，但前面还有很长的路要走，可以说是任重而,道远。,发明专利,谢谢各位老师！,