吳 威 陳桂云 戴存禮

(南京農(nóng)業(yè)大學(xué)理學(xué)院 江蘇 南京 210031)

1 引言

2018年11月13日,教育部高等教育司司長(zhǎng)吳巖在“新時(shí)代云南省本科教育工作會(huì)議”上提出,加快建設(shè)發(fā)展新工科、新醫(yī)科、新農(nóng)科、新文科[1]. 從此,新農(nóng)科與新工科、新醫(yī)科、新文科一道成為我國(guó)高等教育領(lǐng)域的熱詞.吳巖司長(zhǎng)表示:“今后的高等農(nóng)林教育要走融合發(fā)展之路、多元發(fā)展之路、協(xié)同發(fā)展之路.融合發(fā)展不能把專業(yè)僅僅窄化為農(nóng)林院校的傳統(tǒng)專業(yè),要農(nóng)工結(jié)合、農(nóng)理結(jié)合、農(nóng)醫(yī)結(jié)合、農(nóng)文結(jié)合.”因此,作為農(nóng)業(yè)院校中的理科基礎(chǔ)課教學(xué)就要充分體現(xiàn)農(nóng)理結(jié)合思想,將理科基礎(chǔ)課教學(xué)進(jìn)行農(nóng)業(yè)特色化改革,突出基礎(chǔ)課所學(xué)知識(shí)點(diǎn)在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用場(chǎng)景,讓學(xué)生深刻體會(huì)學(xué)可以致用的實(shí)踐真理,解決學(xué)生經(jīng)典之問:我學(xué)這些基礎(chǔ)課究竟有什么用?對(duì)我的專業(yè)有何幫助?以此解決學(xué)生學(xué)習(xí)基礎(chǔ)課動(dòng)力不足的問題.本文以農(nóng)業(yè)院校中大學(xué)物理教學(xué)改革為例,闡述如何對(duì)大學(xué)物理課程進(jìn)行農(nóng)業(yè)特色化改造,使得物理教學(xué)適應(yīng)高等農(nóng)業(yè)教育發(fā)展改革的需要,適應(yīng)農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展的需要.

2 農(nóng)業(yè)院校中傳統(tǒng)大學(xué)物理教學(xué)特點(diǎn)

大學(xué)物理是農(nóng)業(yè)院校中的公共基礎(chǔ)課,為農(nóng)業(yè)專業(yè)課的學(xué)習(xí)提供了基本的物理知識(shí)、方法、技能和思維方式.但是物理課程更加重視自身學(xué)科的系統(tǒng)性和完整性,采用的教材也都是各個(gè)院校通用的教材,缺乏與農(nóng)業(yè)專業(yè)有機(jī)的融合,缺乏特色性教學(xué).往往也不受學(xué)生的重視,每年學(xué)生都有一個(gè)經(jīng)典之問:我學(xué)這門課有什么用?我為什么要學(xué)這門課?大學(xué)生學(xué)習(xí)通常以是否有助于考研,是否有助于專業(yè)課學(xué)習(xí)為導(dǎo)向,對(duì)于公共基礎(chǔ)課,學(xué)生缺乏學(xué)習(xí)的動(dòng)力,因此教學(xué)效果不佳.

傳統(tǒng)大學(xué)物理課的教學(xué)過程中也會(huì)涉及一些知識(shí)點(diǎn)在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用,但一般是泛泛的介紹,只是說明有些知識(shí)點(diǎn)可以應(yīng)用到農(nóng)業(yè)領(lǐng)域,但是這些知識(shí)點(diǎn)是如何具體解決農(nóng)業(yè)和農(nóng)業(yè)工程中問題的就鮮有涉及了.

3 大學(xué)物理教學(xué)農(nóng)業(yè)特色化改革思路

將大學(xué)物理教學(xué)進(jìn)行農(nóng)業(yè)特色化改革,思路如下:把大學(xué)物理學(xué)的理論知識(shí)分成電、光、力、熱4個(gè)模塊,每個(gè)模塊融入一個(gè)農(nóng)業(yè)專題,用物理學(xué)知識(shí)綜合性地解決一類農(nóng)業(yè)問題.

在物理學(xué)每個(gè)篇章開始教學(xué)之前,教師就將農(nóng)業(yè)專題介紹給學(xué)生,讓學(xué)生帶著問題去學(xué)習(xí).激發(fā)學(xué)習(xí)興趣,明確學(xué)習(xí)目標(biāo).整個(gè)模塊的物理知識(shí)學(xué)習(xí)完之后,學(xué)生需要提交問題解決方案,這也是一個(gè)知識(shí)的復(fù)盤整理過程,在應(yīng)用中,使得學(xué)生對(duì)課程的理解更加深入.

4 電光力熱4個(gè)模塊中的4個(gè)農(nóng)業(yè)專題

4.1 電學(xué)模塊——空間電場(chǎng)防病防疫促生系統(tǒng)的電學(xué)分析

空間電場(chǎng)防病防疫促生系統(tǒng)是指在種植蔬果的大棚里或者飼養(yǎng)畜牧的圈舍里搭建的高壓直流靜電場(chǎng)[2-4].利用電場(chǎng)的吸附作用,可以消除果蔬大棚里的霧氣、空氣中的微生物等微顆粒,消除動(dòng)植物養(yǎng)育封閉環(huán)境的悶濕感,建立空氣清新的生長(zhǎng)環(huán)境,減少動(dòng)植物空氣傳播疾病,有效預(yù)防豬哮喘等疾病,減少植物農(nóng)藥的使用以及動(dòng)物獸藥的使用,助力構(gòu)建生態(tài)農(nóng)業(yè).并且在這個(gè)空間電場(chǎng)環(huán)境中,電極線放電產(chǎn)生的臭氧、二氧化氮和高能帶電粒子用于預(yù)防植物氣傳病害,并向植物提供空氣氮肥,能夠有效地促進(jìn)植物生長(zhǎng).

(1)空間電場(chǎng)防病防疫促生系統(tǒng)如圖1所示,大棚上方架設(shè)有若干絕緣子,絕緣子之間通過電極線相連,通有高壓直流電,利用有限長(zhǎng)帶電直導(dǎo)線周圍電場(chǎng)強(qiáng)度的計(jì)算方法,可求均勻帶電電極線AB旁,距離AB垂直距離為h的P點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度,設(shè)電極線上電荷的線密度為λ.

圖1 空間電場(chǎng)防病防疫促生系統(tǒng)示意圖

(2)利用靜電平衡導(dǎo)體附近的電場(chǎng)知識(shí)解釋電極線放電促生長(zhǎng)原理.

(3)運(yùn)用電容器串并聯(lián)的知識(shí)解釋通過倍壓整流電路獲得空間電場(chǎng)防病防疫促生系統(tǒng)所需直流高壓電原理.

參考解答：

(1)在均勻帶電電極線AB上建立如圖2所示的坐標(biāo)系,P點(diǎn)到電極線AB的垂足為坐標(biāo)原點(diǎn),x軸沿著電極線方向,y軸垂直于電極線指向地面.

圖2 為計(jì)算空間電場(chǎng)強(qiáng)度在電極線周圍建立的坐標(biāo)系

在電極線上坐標(biāo)為x,長(zhǎng)度為dx的電荷元,其電荷量為dq=λdx,在P點(diǎn)激發(fā)的電場(chǎng)強(qiáng)度大小為

方向沿著dx與P點(diǎn)連線方向.設(shè)dE與x軸正向之間的夾角為θ,則dE沿x、y軸的兩個(gè)分量的大小分別為

(1)

由于x=hcot(π-θ), 所以dx=hcsc2θdθ,又因?yàn)閞2=x2+h2=h2csc2θ,可得

(2)

積分得

(3)

則合場(chǎng)強(qiáng)的大小和方向?yàn)?/p>

(4)

(5)

(2)空間電場(chǎng)系統(tǒng)中絕緣子的尖端,由于曲率特別大,絕緣子的尖端會(huì)聚集大量的電荷,即靜電平衡導(dǎo)體電荷分布面密度和曲率成正比,證明如下:設(shè)有兩個(gè)球形帶電導(dǎo)體,帶電荷量分別為Q1和Q2,半徑分別為R1和R2,如果它們之間的距離遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于它們的半徑,將兩個(gè)導(dǎo)體球用導(dǎo)線連接,平衡之后,兩個(gè)導(dǎo)體球表面電荷的面密度分別為σ1和σ2,將兩個(gè)導(dǎo)體球連接,平衡之后電勢(shì)相等φR1=φR2,即

(6)

用電荷面密度表示電荷量,得到

(7)

由公式(7)可以看出,靜電平衡的導(dǎo)體表面的電荷密度和導(dǎo)體表面的曲率半徑成反比,尖端部分曲率很大,曲率半徑很小,所以電荷都集中在了電極的尖端部分.

由于電極的尖端部分電荷的面密度很大,附近產(chǎn)生的電場(chǎng)的場(chǎng)強(qiáng)與電荷的面密度成正比,因此尖端附近會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)電場(chǎng),證明如下:

在緊靠導(dǎo)體表面作一個(gè)與導(dǎo)體表面平行的小面元ΔS,以ΔS為底作一個(gè)高度很小的圓柱體,這個(gè)圓柱體一半在導(dǎo)體內(nèi)部,一半在導(dǎo)體外部,如圖3所示.由于處于靜電平衡導(dǎo)體的內(nèi)部場(chǎng)強(qiáng)為零,所以通過導(dǎo)體內(nèi)部圓柱體那個(gè)底面的通量為零.而外部場(chǎng)強(qiáng)E垂直于導(dǎo)體表面,所以通過導(dǎo)體外部圓柱體底面的通量為EΔS,而圓柱體側(cè)面無(wú)通量.根據(jù)高斯定理可知

圖3 為計(jì)算靜電平衡導(dǎo)體表面電場(chǎng)強(qiáng)度而作的高斯面示意圖

(8)

于是得到

(9)

由以上兩個(gè)證明可以看出,電極尖端聚集了大量電荷,而導(dǎo)體表面附近的電場(chǎng)強(qiáng)度和電荷密度成正比,因此尖端附近會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)電場(chǎng),將附近的空氣電離.空氣電離后會(huì)產(chǎn)生具有強(qiáng)氧化能力的臭氧和氮氧化物,這些物質(zhì)可以殺死那些引起氣傳病害的微生物,起到防病的效果.同時(shí)空氣電離也會(huì)使空氣中的氮?dú)夂脱鯕獍l(fā)生反應(yīng),從而產(chǎn)生溶于水的二氧化氮,這些物質(zhì)被植物吸收后補(bǔ)充了植物生長(zhǎng)所需的氮肥,使得植物生長(zhǎng)得更為旺盛.

(3)空間電場(chǎng)的倍壓整流電路圖如圖4所示[5],交流電的正負(fù)周期,二極管D1和D2可以分別對(duì)電容器C1和C2充電,充電后的極性如圖4所示,因此相對(duì)于負(fù)載RL來(lái)說,C1和C2為串聯(lián)關(guān)系,因此負(fù)載RL上的電壓為UL=UC1+UC2,達(dá)到了電壓增倍的作用,因此可以獲得高電壓.

圖4 倍壓整流電路圖

電學(xué)部分的農(nóng)業(yè)專題涉及到的物理知識(shí)點(diǎn)如表1所示.

表1 電學(xué)農(nóng)業(yè)專題中涉及到的物理知識(shí)點(diǎn)

4.2 光學(xué)模塊——光伏農(nóng)業(yè)中薄膜干涉分析

光伏農(nóng)業(yè)是一種新的農(nóng)業(yè)發(fā)展方式,可以將太陽(yáng)能發(fā)電與農(nóng)業(yè)種植和養(yǎng)殖相結(jié)合,運(yùn)用現(xiàn)代光學(xué)干涉濾光方法對(duì)太陽(yáng)光進(jìn)行合理分配,實(shí)現(xiàn)農(nóng)作物生長(zhǎng)與光伏發(fā)電兩不誤[6].原理是利用紅藍(lán)光增透膜將太陽(yáng)光中適合光合作用的紅藍(lán)光光譜分選出來(lái)用于植物生長(zhǎng),其余大部分反射光集中于晶硅電池上用于發(fā)電,滿足農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的電力供應(yīng)問題[7].

假設(shè)在光伏發(fā)電玻璃基片表面涂的紅藍(lán)增透膜的折射率為n,且這一折射率小于光伏發(fā)電玻璃基片的折射率.由于400～520 nm之間的藍(lán)紫光,在植物進(jìn)行光合作用的過程中,葉綠素與類胡蘿卜素吸收比例最大,對(duì)光合作用的影響也最大,葉綠素對(duì)610～720 nm之間的紅橙光吸收率低,但是其對(duì)光合作用與光周期效應(yīng)有顯著的影響,因此增透膜應(yīng)該使得藍(lán)(400～520 nm)紅(610～720 nm)增透,并要保證增透膜的厚度最小,增透膜的最小厚度是多少?

參考解答：

根據(jù)薄膜上下表面的折射率關(guān)系可知,光線在薄膜的上表面和下表面反射時(shí)均有半波損失,設(shè)紅光波長(zhǎng)為λ1,藍(lán)光波長(zhǎng)為λ2因此在薄膜上下兩個(gè)表面兩束相干反射光之間的光程差為

(10)

如果要使此增透膜既能使紅光增透,又能使藍(lán)光增透,則δ1=δ2得到

λ1(2k1+1)=λ2(2k2+1)

(11)

為保證薄膜厚度最小,因此應(yīng)使得k1和k2的值最小,考慮到λ1的范圍在610～720 nm,λ2的范圍在400～520 nm,當(dāng)2k1+1=1,且2k2+1=3時(shí),無(wú)法滿足δ1=δ2,因此應(yīng)考慮2k1+1=3,2k2+1=5的情況,即

(12)

此時(shí)若λ2=400 nm,則λ1=666 nm滿足考慮的波長(zhǎng)范圍610～720 nm;若λ1=720 nm,則λ2=432 nm滿足考慮的波長(zhǎng)范圍400～520 nm,可以看出,400～432 nm的藍(lán)光,以及666～720nm的紅光均可通過此增透膜,此時(shí),薄膜折射率n和薄膜厚度d之間的乘積nd在500～540 nm之間,如果已知薄膜的折射率n,即可算出薄膜厚度.

光學(xué)農(nóng)業(yè)專題中涉及到的物理知識(shí)點(diǎn)如表2所示.

表2 光學(xué)農(nóng)業(yè)專題中涉及到的物理知識(shí)點(diǎn)

4.3 力學(xué)模塊——植保無(wú)人機(jī)噴灑作業(yè)霧滴飄移的質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)分析

植保無(wú)人機(jī)是用于農(nóng)林植物保護(hù)作業(yè)的無(wú)人駕駛飛機(jī),通過地面遙控或?qū)Ш斤w控,來(lái)實(shí)現(xiàn)噴灑作業(yè),可以噴灑藥劑、種子、粉劑等.運(yùn)用力學(xué)知識(shí)可以對(duì)植保無(wú)人機(jī)噴灑的霧滴做運(yùn)動(dòng)學(xué)分析和動(dòng)力學(xué)分析,以便更好地規(guī)劃無(wú)人機(jī)的噴灑軌跡和模式,提高噴灑作業(yè)的質(zhì)量.

以下應(yīng)用實(shí)例來(lái)源于文獻(xiàn)[8]:若某植保無(wú)人機(jī)在田間實(shí)施噴灑農(nóng)藥的任務(wù),假設(shè)無(wú)人機(jī)在xy水平平面內(nèi),以速度vUVA沿著與x方向呈θ飛行,如圖5所示,其噴灑的農(nóng)藥?kù)F滴沿著與x、y、z方向分別呈α、β、γ的角度,以相對(duì)于無(wú)人機(jī)的速度v′w從噴霧泵噴嘴噴出,如圖6所示.假設(shè)風(fēng)速測(cè)量高度范圍內(nèi)的風(fēng)速近似為線性函數(shù)分布,即如果在高度為hm的風(fēng)速測(cè)量點(diǎn)測(cè)得的風(fēng)速為vwind,m,則霧滴所在的高度h處的風(fēng)速為

圖5 xy平面內(nèi)無(wú)人機(jī)運(yùn)動(dòng)示意圖

圖6 霧滴運(yùn)動(dòng)示意圖

(1)請(qǐng)寫出霧滴相對(duì)于地面的初始速度vw0的矢量形式;

(2)若霧滴受到的合外力F為重力Fg和阻力Fr的合力,F=Fg+Fr,霧滴的質(zhì)量為mw,寫出t時(shí)刻霧滴相對(duì)于地面速度vwt的計(jì)算式;

(3)若霧滴離開噴嘴時(shí)的初始位移為r0,求t時(shí)刻霧滴位移r的表達(dá)式.

參考解答：

(1)根據(jù)運(yùn)動(dòng)的疊加性原理,霧滴的初始速度可以表示為x、y、z3個(gè)方向上的分速度的合成,分別求出3個(gè)方向上的分速度,即可求出vw0.

vw0=vwx0i+vwy0j+vwz0k

(13)

根據(jù)運(yùn)動(dòng)的相對(duì)性原理,霧滴相對(duì)于地面的絕對(duì)速度等于其相對(duì)于無(wú)人機(jī)的相對(duì)速度,以及由于無(wú)人機(jī)和風(fēng)運(yùn)動(dòng)而引起的牽連速度之和,即

v絕對(duì)=v牽連,無(wú)人機(jī)+v牽連,風(fēng)+v相對(duì)

(14)

根據(jù)式(14)可以寫出霧滴在3個(gè)方向上相對(duì)于地面的絕對(duì)速度大小分別為

(15)

vwz0=v′wcosγ

將式(15)代入式(13)即為霧滴初始速度的矢量表達(dá)式.

(2)根據(jù)t時(shí)刻速度與初始速度和加速度的關(guān)系,可得t時(shí)刻霧滴相對(duì)于地面的速度vwt為

(16)

(3)t時(shí)刻霧滴的位移

(17)

力學(xué)農(nóng)業(yè)專題中涉及到的物理知識(shí)點(diǎn)如表3所示.

表3 力學(xué)農(nóng)業(yè)專題中涉及到的物理知識(shí)點(diǎn)

4.4 熱學(xué)模塊——人工氣候箱的相關(guān)熱學(xué)分析

人工氣候箱也叫人工氣候培養(yǎng)箱,是模擬自然環(huán)境各參數(shù),包括溫度、濕度、光照度和光照時(shí)間的培養(yǎng)箱.人工氣候箱解決了自然環(huán)境不可控制的問題,為植物生長(zhǎng)提供了一個(gè)更加可控、更加合理的生長(zhǎng)條件.人工氣候箱在植物的發(fā)芽、育苗、組織細(xì)胞、微生物培養(yǎng)以及昆蟲、小動(dòng)物飼養(yǎng)、水體分析的生化需氧量測(cè)定中,都有廣泛的應(yīng)用.

(1)請(qǐng)查閱資料,了解人工氣候箱的結(jié)構(gòu)和原理;

(2)人工氣候箱可用于種子育苗,例如,已知大白菜種子在20～25 ℃下發(fā)芽迅速而強(qiáng)健,因此在育苗的過程中,將溫度設(shè)置在20～25 ℃,那么通過人工氣候箱培育的大白菜的育苗品質(zhì)會(huì)更好.如果在室溫30 ℃的環(huán)境中,要保持人工氣候箱的溫度在大白菜種子發(fā)芽溫度23 ℃附近,那么人工氣候箱的制冷系統(tǒng)采用的是哪種循環(huán),為什么采用此種循環(huán)?此循環(huán)的制冷系數(shù)是多少?

參考解答：

(1)人工氣候培養(yǎng)箱由箱體、溫控系統(tǒng)、加熱制冷系統(tǒng)、光照系統(tǒng)、循環(huán)風(fēng)道等部分組成.

溫控系統(tǒng)主要由溫控儀、溫度傳感器等設(shè)備組成.溫控儀具有超溫保護(hù)、掉電保護(hù)、簡(jiǎn)單編程、定時(shí)等功能.加熱制冷系統(tǒng)由加熱管、蒸發(fā)器、冷凝器、壓縮機(jī)等設(shè)備構(gòu)成.人工氣候培養(yǎng)箱的循環(huán)風(fēng)道設(shè)計(jì),能最大限度地保證箱內(nèi)溫度的均勻性.人工氣候培養(yǎng)箱光照系統(tǒng)一般采用三面發(fā)光,保證箱體內(nèi)光照的均勻性.

人工氣候培養(yǎng)箱工作時(shí):當(dāng)溫度傳感器測(cè)量的溫度信號(hào)傳至溫控儀,溫控儀內(nèi)CPU作出正確的判斷,輸出加熱信號(hào)或制冷信號(hào),控制加熱管或壓縮機(jī)工作,人工氣候培養(yǎng)箱溫控系統(tǒng)采用模糊比例-積分-微分控制器控制方式,控溫精度高,溫度波動(dòng)度小.

(2)制冷循環(huán)采用逆卡諾循環(huán),由兩個(gè)等溫過程和兩個(gè)絕熱過程組成.其過程是:制冷劑被壓縮機(jī)絕熱壓縮到更高的壓力,消耗的功使排氣溫度升高.之后,制冷劑通過冷凝器與周圍介質(zhì)進(jìn)行熱交換,并將熱量傳遞給周圍介質(zhì).制冷劑絕熱膨脹后通過切斷閥做功,則制冷劑的溫度降低后,制冷劑通過蒸發(fā)器從溫度較高的物體中吸收熱量,從而降低被冷卻物體的溫度.重復(fù)此循環(huán)以達(dá)到冷卻的目的.由于卡諾循環(huán)是效率最高的循環(huán)方式,因此制冷過程采用了逆卡諾循環(huán).循環(huán)中高溫?zé)嵩礈囟葹?0 ℃,低溫?zé)嵩礈囟葹?3 ℃,由于逆卡諾循環(huán)制冷系數(shù)只與高溫和低溫?zé)嵩从嘘P(guān),因此該逆循環(huán)制冷系數(shù)為

(18)

以上農(nóng)業(yè)專題中涉及到的物理知識(shí)點(diǎn)如表4所示.

表4 熱學(xué)農(nóng)業(yè)專題中涉及到的物理知識(shí)點(diǎn)

5 結(jié)論

新農(nóng)科是一個(gè)新的教育概念,教育部倡導(dǎo)要對(duì)課程改革進(jìn)行創(chuàng)新行動(dòng),并且新農(nóng)科建設(shè)的根本任務(wù)是人才培養(yǎng),是新時(shí)期農(nóng)林院校教育教學(xué)改革的重要方向[9],因此作為農(nóng)業(yè)院校中的公共基礎(chǔ)課,大學(xué)物理要積極進(jìn)行農(nóng)業(yè)特色化改革,使得物理教學(xué)與農(nóng)業(yè)專業(yè)教學(xué)相銜接、相融合,使得教學(xué)更有針對(duì)性,同時(shí)能夠提高學(xué)生對(duì)這門課的認(rèn)同感與學(xué)習(xí)的積極性;通過改革優(yōu)化人才培養(yǎng)方式,培養(yǎng)新時(shí)代的綜合性應(yīng)用型的卓越農(nóng)林新才.本文對(duì)大學(xué)物理的電光力熱4個(gè)模塊分別融入了4個(gè)能用大學(xué)物理知識(shí)解決的農(nóng)業(yè)實(shí)際問題,問題的設(shè)計(jì)注重了物理與農(nóng)業(yè)問題的相關(guān)性,并具有一定的挑戰(zhàn)性,符合“兩性一度”,即高階性、創(chuàng)新性、挑戰(zhàn)度的金課標(biāo)準(zhǔn),并將在今后的實(shí)踐過程中不斷進(jìn)行修改完善.此項(xiàng)改革也可以為農(nóng)業(yè)院校其他公共基礎(chǔ)課程的實(shí)踐教學(xué)改革提供參考,使得農(nóng)業(yè)院校的公共基礎(chǔ)課程更加適應(yīng)新農(nóng)科發(fā)展的時(shí)代需要.