大学物理声学教学中工程素材的融入

付 静 姜广军

(吉林建筑大学城建学院基础部，长春 130111)

1 工科大学物理教学中融入工程素材的意义

物理学是整个自然科学与现代工程技术的基础.物理学的基本概念和基本规律具有极大的普遍性，它为很多自然科学和工程技术提供理论基础和实验技术.目前的工程技术，从原理上讲多数属于物理学范畴.因此，通过物理学教学既要帮助学生迅速掌握大学的学习特点、规律和正确的学习方法，又要为学生毕业从事有关科学研究、应用开发、教学工作等打下良好基础.因此，在着重要求学生掌握物理学基本概念和基本规律的基础上，适当介绍这些基本概念与实际工程之间的联系，及其在生产技术领域中的应用，有助于提高学生学习的积极性，培养学习兴趣，实现在大学物理课堂教学中，帮助学生树立工程和实践意识的目的[1].

2 教学案例

结合工科院校特点，笔者将声学在工程领域的发展状况[2－3]及应用的内容融入大学物理教学之中.人能听到的声波频率为20 Hz～20000 Hz.频率高于20000 Hz的声波称为“超声波”，低于20 Hz的声波称为“次声波”.在工业上，声波有较多应用;尤其是超声波，大量用于乳化、清洗、粉碎、搪锡、钻孔、雾化、焊接、金属成型等.次声波也有较大应用，如预测自然灾害等.

2.1 声波吹灰技术在水泥工业除尘中的应用

水泥生产过程中，由于生产设备、生产工艺的不同，从矿山开采、破碎到进厂粉磨、烘干、煅烧、储存、水泥制成、包装出厂以及物料的进出库、转运、堆放等工艺环节，有数十个扬尘点，因此，清灰是最主要的问题.

声波吹灰作为一种非接触的清灰方式，近年来在生产实践中越来越突现出其独特的技术优势，在水泥行业的增效改造中发挥了重要作用.其原理如图1所示.声波清灰器以压缩空气为动力源，使压缩空气流经金属膜片和其它声波发生组件产生特定低频、高能量声波，声波在被清灰设备气体媒质声场中谐振传播，牵动气体媒质中的灰尘粒子同步振动，并周期性改变积灰边界层的纵向压力梯度，在声波振动及疲劳反复累计作用下，使微少的灰尘粒子难以靠近积灰表面或使沉积在积灰表面灰尘破坏而剥离，从而达到清除积灰的目的.

图1 声波清灰原理

2.2 超声清洗

科学家发现一定频率范围内的超声波作用于液体介质里，可以达到清洗的作用.经过一段时间的研究和试验，发现其清洗效率极高，由此超声波清洗机被逐渐运用于各行各业中.清洗原理如图2所示.声波的传递依照正弦曲线纵向传播，即一层强一层弱，依次传递，当弱的声波信号作用于液体中时，会对液体产生一定的负压，使液体内形成许多微小的气泡;而当强的声波信号作用于液体时，则会对液体产生一定的正压.因而，液体中形成的微小气泡被压碎.经研究证明:超声波作用于液体中时，液体中每个气泡的破裂会产生能量极大的冲击波，相当于瞬间产生几千度的高温和高达上千个大气压，这种现象被称之为“空化效应”，超声波清洗正是应用液体中气泡破裂所产生的冲击波来达到清洗和冲刷工件内外表面的作用.

2.3 超声波焊接

超声波焊接是熔接热塑性塑料制品的高科技技术，各种热塑性胶件均可使用超声波熔接处理.其原理如图3所示，是由发生器产生高压、高频信号，通过换能系统，把信号转换为高频机械振动，加于塑料制品工件上，通过工件表面及在分子间的磨擦而使传递到接口的温度升高，当温度达到此工件本身的熔点时，使工件接口迅速熔化，继而填充于接口间的空隙，当震动停止，工件同时在一定的压力下冷却定形，便达成完美的焊接.

图2 超声清洗原理

图3 超声焊接原理

通过上述超声波在实际工程应用中的介绍，使学生了解到我国声学领域的研究状况，在获得感性知识的同时，也能主动思考或想象声学的作用.

3 结语

通过对工程教育情境的营造及背景勾勒，学生能够培养科学实验的兴趣，同时也提高学习大学物理的兴趣和动力.通过学期末的考试成绩证明，采用上述教学手段及教学方法取得了良好的教学效果[4－7].总之，按照理论联系实际的教学原则，在大学物理教学中，引入相关的前沿知识，实现了理论与实际应用的紧密结合;强化了学生的科技创新意识;拉近了学生与工程应用领域的距离，符合在大学物理课堂教学中对注重工程实践和科技创新意识培养的要求.

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