巧用物理科学方法估算福建舰的排水量

摘 要：“等效替代法”和“类比归纳法”是在物理问题探究中常用的科学方法，也是中学物理教学中常常会涉及的物理科学方法。２０２２年６月１７日中国海军福建舰下水，其排水量问题引发热烈讨论。巧妙运用“等效替代法”和“类比归纳法”，通过确定舰体的“方形系数”来估算福建舰排水量的大致范围，将物理科学方法运用到生活实践中，为物理教学提供一些启发。

关键词：福建舰；航母排水量；等效替代；类比归纳

中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1003-6148（2024）12-0066-3

２０２２年６月１７日，据央视和新华网报道，“福建舰”在上海江南造船厂正式下水。００３型福建舰是我国海军的第３艘航母，也是首艘具有长直通甲板和电磁弹射、电磁拦阻装置的大型航母，中国海军迎来了一个历史性的时刻。此刻，不禁让人回想起某军事专家曾说过的一句话：“我们受了多少窝囊气才有了今天”。

然而，兴奋之余我们很快就会萌生一个问题，公布的福建舰的排水量是“８万余吨”。中华语言博大精深，这个“余吨”，究竟余多少，给了大众极大的想象空间。一时间网络上出现各种说法，甚至有人猜测福建舰的排水量达到１０万吨。在估算福建舰的排水量之前，不妨先将其与其他著名的大型航母进行一下对比。

表１比较了美国福特级（核动力）［１］、尼米兹级（核动力）［２］、小鹰级（常规动力）［３］和我国福建舰（常规动力）［４］的航母参数，所有数据均来自网络上公开的资料。在这四型航母中，福建舰的甲板长度最短，但其甲板面积接近福特级，甚至超过了１０万吨级的尼米兹级航母。图１是军迷根据卫星照片绘制的航母甲板构想图，从图中可以看出两型航母的甲板面积确实比较接近。和同样排水量８万余吨、同为常规动力的美国小鹰级相比，福建舰的甲板面积超出了对方近３０００ ｍ２。这说明福建舰的甲板设计外飘明显，如果没有足够大的排水量做保障，会给人一种头重脚轻的感觉，这将极大地影响航母的稳定性。当航母在海上进行快速转弯机动，或遭遇较大的侧向风浪时，会增大航母侧向倾覆的危险。这是广大军迷质疑福建舰排水量只有８万余吨的一个重要原因。

为了准确估算福建舰的真实排水量，无疑需要采用一种科学合理的方法，网上提及较多的方法就是“方形系数”法。在船舶工程学中，方形系数又称“排水量系数”，是指船舶的排水体积Ｖ和其相应的水线长度Ｌ、水线宽度Ｂ和吃水深度Ｔ的乘积之比［5］。如图2所示，设方形系数为Ｃｂ，其定义为Ｃｂ ＝ Ｖ／（Ｌ×Ｂ×Ｔ）。方形系数是船舶设计中的经典参量，是表达船舶水下形状肥瘦程度的重要数据。方形系数随船舶的种类不同而变化。一般认为，方形系数越小的船舶水下线型越瘦削，有利于减小阻力并提高快速性，如军舰与集装箱船；而方形系数越大的船舶水下线型越肥胖，有利于增加载重量，但阻力会明显增大，如油轮与散货运输船。实际上，对于方形系数还可以有另外一种理解方式。通俗来讲，就是将船舶浸入水中的部分看成是一块橡皮泥，这样就可以将它捏成一个高度等于吃水深度Ｔ、宽度等于水线宽度Ｂ的等效长方体，而这个长方体的长度将等于 Ｌ×Ｃｂ。这种理解方法就是物理教学中常用的“等效替代法”，即用一个等效长方体来代替船舶水线以下的排水体积。

通常船舶的“胖瘦”是排水量和航速之间博弈的结果。对于航母这样的大型船舶，迄今已有超过１００年的发展历史，其水线以下部分的船型设计已经相当成熟。这就提供了一种可能，即可以参照外军航母的方形系数来大致确定福建舰的方形系数，而后根据网络上的公开资料来确定它的排水量，即Ｖ ＝ Ｌ×Ｂ×Ｔ×Ｃｂ。考虑到淡水的密度约等于１ ｔ/ｍ３，则航母水线以下的最大排水体积即为它的最大排水量。表２对比了前述四型航母的相关参数，所有数据均来自网络上公开的资料。由表２可见，福建舰的水线长度虽短，但其最大吃水深度达到１３．０ ｍ，甚至超过了福特级的吃水深度，而福特级是世界公认的超级航母，其最大排水量达到了惊人的１１．２ 万吨，这也是广大军迷质疑福建舰排水量只有８万余吨的另一个重要原因。

需要说明的是：①表２中各型航母的水线长度，不包括水线以下球鼻艏部分的长度；②由于目前福建舰的具体数值还没有获得官方披露，因此关于水线长度、水线宽度、吃水深度的数值均为根据网上资料所研判的估值。如表２所示，福特级航母福特号的方形系数最大，这得益于福特级的新型核反应堆提供的强大动力，所以福特级水线以下的船型可以设计得稍微丰满一些，这样有利于增加航母的排水量。同为核动力航母的尼米兹级布什号，其方形系数与福特号比较接近。相较之下，采用常规动力的小鹰级航母肯尼迪号，其方形系数明显下降，这也是常规动力相较核动力显得不足的一个直接影响。即在动力不足的条件下，只能将水线以下部分的船型设计得更瘦长一些，以保证航母能够达到较高航速。对于如何估算福建舰的排水量，肯尼迪号航母的方形系数可以作为最有可比性的参考。为保守起见，可以将福建舰的方形系数确定在０．６０～０．６２的范围内，由此可得福建舰的最大排水量应在９．３６～９．６７ 万吨之间。如此看来，这个８万余吨，“余”的并不少。

那么，如何理解公布的“８万余吨”的说法呢？这个问题很简单。对于航母的排水量其实有两种说法。一种叫“满载排水量”，即上述的最大排水量，是指航母在执行战斗任务时携带全部装备、弹药、油料时的排水量。另一种叫“标准排水量”，也可以称为“基本排水量”，是指航母在执行日常的训练、巡逻、战备执勤等任务时的排水量，这种情况下航母不需要满油满弹，故航母的标准排水量大大小于其满载排水量。为简单理解，可以假定：标准排水量≈满载排水量×９０％。则福建舰的标准排水量应在８．４２～８．７０ 万吨之间，这与官方的报道基本一致，相较于福建舰的体量，这也是比较合理的数据。作为中国迄今为止建造的吨位最大、技术最先进、组织最复杂、战斗力最强悍的战舰，福建舰受到了国内外的广泛关注。福建舰一旦入列服役，将大大提升中国海军的作战能力和威慑力，成为保卫国家主权和海洋权益的核心装备。

对于船舶的排水量，其本质就是一个浮力问题。本文采用了等效替代法和类比归纳法这两种常用的物理科学方法，对福建舰的排水量进行了估算。将物理科学方法融入生活，巧用物理科学方法解决生活中的疑问，这也是新课标对中学物理教学的要求。物理教师在物理教学中将多种科学方法结合，既有助于启发学生的研究性思维，鼓励学生跨学科解决问题，也有益于借助生活中的物理问题实例，充分发挥教育立德树人的功能。

参考文献：

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［２］Ｍｏｄｅｒｎ Ｗａｒｓｈｉｐｓ ＆ Ｓｕｂｍａｒｉｎｅｓ．ＵＳＳ Ｒｏｎａｌｄ Ｒｅａｇａｎ （ＣＶＮ－７６）Ｎｕｃｌｅａｒ－Ｐｏｗｅｒｅｄ Ａｉｒｃｒａｆ Ｃａｒｒｉｅｒ Ｕｎｉｔｅｄ Ｓｔａｔｅｓ Ｉ ２００３［ＥＢ／ＯＬ］．（２０２０-11-04）［２０２４-0４-２７］．ｈｔｔｐｓ：//ｗｗｗ．ｍｉｌｉｔａｒｙｆａｃｔｏｒｙ．ｃｏｍ／ｓｈｉｐｓ／ｄｅｔａｉｌ．ｐｈｐ ｓｈｉｐ＿ｉｄ＝ＵＳＳ－Ｒｏｎａｌｄ－Ｒｅａｇａｎ－ＣＶＮ７６．

［３］Ｓｅａｆｏｒｃｅ－ｏｎｌｉｎｅ Ｎａｖａｌ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ．Ｋｉｔｔｙ Ｈａｗｋ ｃｌａｓｓ Ａｉｒｃｒａｆｔ Ｃａｒｒｉｅｒ － ＣＶＡ／ＣＶ［ＥＢ／ＯＬ］．（２０２３-１２-２３）［２０２４-0４-２７］．ｈｔｔｐｓ：／／ｗｗｗ．ｓｅａｆｏｒｃｅｓ．ｏｒｇ／ｕｓｎｓｈｉｐｓ／ｃｖ／Ｋｉｔｔｙ－Ｈａｗｋ－ｃｌａｓｓ．ｈｔｍ＃：～：ｔｅｘｔ＝ＣＶ％２０６６％２０ＵＳＳ％２０Ａｍｅｒｉｃａ％２０％２８１９６５－１９９６％２９％２０Ｓｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎｓ％３Ａ％２０Ｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔ％３Ａ％２０８３０９０，％２８５９％２０ｋｍ％２Ｆｈ％２９％２Ｃ％２０ｍａｘ．％２０Ｒａｎｇｅ％３Ａ％２０１２０００％２０ＮＭＩ％２０％２８１９０００％２０ｋｍ％２９．

［４］新华网． 我国第三艘航空母舰下水命名 许其亮出席下水命名仪式［ＥＢ／ＯＬ］．（２０２３-0６-１７）［２０２４-0４-２７］．ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｎｅｗｓ．ｃｎ／ｍｒｄｘ／２０２２－０６／１８／ｃ＿１３１０６２６１５７．ｈｔｍ．

［５］张依莉．船舶设计基础［Ｍ］．大连：大连海事大学出版社，１９９６：３８－４０． （栏目编辑 蒋小平）

收稿日期：2024-07-04

作者简介：肖淑嫣（2006-），女，本科，主要从事中学物理教育研究。

*通信作者：张勇（1974-），男，教授，主要从事半导体发光物理与器件和物理教学研究。