物理知識中的每一個定理、定律的發(fā)現(xiàn)和發(fā)展可能都不是系統(tǒng)和符合邏輯的。而且，作為基礎(chǔ)物理學的學習，除了少數(shù)物理系學生是為了進一步研究打下基礎(chǔ)之外，絕大部分是為了提高科學素養(yǎng)和應用物理學知識解決實際問題的，因而就有了一種觀點，根據(jù)實際需要獲?。ú糠郑┪锢碇R即可，這就是“模塊化”學習物理知識的邏輯起點。看似挺合理，但實則忽略了一個問題，即對在校大學生來說，“未來”是不確定的，因而今天（在校）的學習就不能有確定（選擇性）的學習內(nèi)容，而應該是系統(tǒng)、邏輯地學習有關(guān)物理知識，當然，這種系統(tǒng)化、邏輯體系并不代表“更全、更多”，而是對核心內(nèi)容的完整化內(nèi)核的表述。在此，本文舉一個實例來說明系統(tǒng)學習物理知識的必要性。

速度是一個非?；镜奈锢砹?，測量速度是工程應用中的基本需求，但基本上都不會用速度的定義式來直接測量，而是以含速度的各種原理、定理、定律，輔以技術(shù)支撐實現(xiàn)測量的。比如：

1 磁電式原理（電磁）測車輛速度

汽車在平直道路上正常行駛時，車輪與地面是不打滑的——只滾不滑，因而用輪子的轉(zhuǎn)速通過車輪半徑可以轉(zhuǎn)化為車輛的速度。因此，我們只要能測出輪子的轉(zhuǎn)速n即可。

磁感應式車速表提供了一種簡單、有效地記錄車速的方法。機械式車速表是由軟軸及與其固定在一起的永久磁鐵、帶有軸及游絲和指針及刻度盤的鋁罩組成，鋁罩與永久磁鐵之間有一定的均勻氣隙。汽車變速器通過軟軸驅(qū)動車速表的轉(zhuǎn)動。軟軸的一端通過鋼絲纜連接到變速器的一個齒輪上，齒輪帶動鋼絲纜以及與之相連的永久磁鐵旋轉(zhuǎn)。鋁罩上各處的磁場B隨旋轉(zhuǎn)的永久磁鐵而改變，其變化率與軟軸的轉(zhuǎn)速n成正比，即

這表明：渦旋電場一樣，也是與軟軸的轉(zhuǎn)速n成正比，即

顯然，該測量原理屬于物理學中的電磁學內(nèi)容。

2 多普勒原理（波動）測艦船速度

行駛在地面上的汽車測速很簡單，只要測出車輪的轉(zhuǎn)速，汽車的平動速度就可以知曉?？稍诤棋拇蠛Ｉ希霸诹鲃拥暮Ｋ羞\動，并且海水還會使船舶上下、左右的擺動，要想測量出船舶相對于地面的速度就不是一件容易的事。利用聲吶，及其所謂詹納斯（Janus）配置方法，可以很好地解決這一難題。

船舶用多普勒聲吶是由一個發(fā)射器和一個接收器組成，一般安裝在船體底部的同一位置，發(fā)射器沿著固定的傾角α發(fā)射一束超聲波OP。為了盡可能減小測量誤差和能量衰減，一般選用150~160 kHz的超聲波，這個頻段的波被海水吸收的最小。該束超聲波在海底漫反射，其中必有一定強度的反射波被船底的接收器所接受。超聲波在水中的傳播速度約為1500m/s，遠遠大于船舶的航行速度（以40節(jié)航速算為20m/s），所以我們可以假設(shè)在超聲波束從發(fā)射到反射波被接受的過程中，船舶前進的距離是很小的，可以認為反射波是沿PO方向反射回位于O處的接收器的。

假定船舶沿著前進方向運動的速度為v_x，則在P處測得由O處發(fā)出的超聲波的頻率為

若將P處看作反射波波源，則該波源的頻率為ν_r。在超聲波從P返回O時，反射波波源P不動，而接收器O以速度v_xcosα向著P運動，因此，接收器接收到的超聲波頻率為

由于，可將上式按v_x/u的級數(shù)展開，得

(1)

(2)

（1）（2）兩式相減可以消去(v_x/u)²項，從而提高了船速測量的精確度。向前和向后的兩接收器接收到的超聲波頻率之差為

(3)

船舶在風浪中航行時，除了在前進方向的速度以外，豎直方向和側(cè)向的速度也往往不為零。為了便于說明問題，我們只考慮船舶的前后搖擺和上下起伏。設(shè)船底與前進方向的夾角為Δα，船舶豎直向上的速度為v_z，則船上O點速度在OP和OP′方向的投影分別為

代入到式（1）中，可得詹納斯配置前后兩束超聲波被海底反射后被O處的接收器接收到的頻率分別為

兩式中的ν₀、u和α已知，Δα可由姿態(tài)測量裝置（比如艦載陀螺儀）測得，求解這兩個方程，可得v_x和v_z的值。同理，為了測定船舶側(cè)向移動的速度，也可以按詹納斯配置方法在船的左舷和右舷各裝置一對發(fā)射器和接收器，斜向海底發(fā)射超聲波。

注意到，兩頻率ν和ν′之差為

(4)

顯然，該測量原理屬于物理學中的波動學內(nèi)容。

3 伯努利原理（流體）測飛機速度

再來看飛機的測速原理。飛機不可能像船舶一樣配置超聲波聲吶系統(tǒng)，一來飛機速度近聲速，二來萬米高空無反射面。

飛機的測速是靠所謂的“空速管”（見圖1）。空速管是利用玻耳茲曼公式和流體力學中的伯努利定律由壓力參數(shù)獲得速度的轉(zhuǎn)化的。

空速管是中空的雙層套管（見圖2），測速時空速管頭部對準機頭方向，當飛機向前飛行時，氣流沖進空速管，根據(jù)伯努利方程，管內(nèi)總壓與管外周圍大氣靜止壓強（靜壓）有差別，差值稱為動壓。飛機飛得越快，動壓就越大。如果將靜壓和總壓相比就可以知道動壓，則知道沖進來的空氣有多快，也就是飛機飛得有多快。圖中側(cè)方開口即為靜壓管開口，當氣流平行于空速管軸線時，其內(nèi)部壓強為周圍大氣靜止壓強，靜壓的變化可以獲得飛機爬高（垂直）速度。

那么，壓強或壓力與飛機速度是什么原理把它們連接在一起的呢？

（1） 大氣靜壓力（強）與高度及垂直速度關(guān)系

地球大氣層對浸在里面的物體有壓力的作用。這是由于地球大氣受到重力作用；且越靠近地表，大氣越多，氣體分子密度越大，大氣壓強也越大

由玻耳茲曼能量分布律，可得重力場中的等溫壓強公式

從而可得垂直速度。

上述原理在轉(zhuǎn)化為技術(shù)時是需要修正的，其中溫度引起的壓強變化就必須考慮，溫度的修正大約以每升高1000m，溫度降低6℃來估算。

（2） 動壓或總壓與飛行速度（平飛）的關(guān)系

流體（此處指氣體）若有定向流動，則大氣不僅具有靜壓，還同時具有動壓，即氣體定向運動具有的動能所產(chǎn)生的附加壓強。即使流體不動，浸在流體中物體相對流體運動，那么流體相對于這個物體也具有動壓，飛機就是如此。

動壓所遵循規(guī)律由伯努利定律獲得。對理想流體的任一流線，動能密度、勢能密度與壓強之和是一個守恒量，如圖3所示。

即伯努利方程如下

由飛機平飛條件（h恒定），可得空速管末端的總壓p_t與進入空速管前氣體的靜壓p_s以及動壓（v為空氣相對飛機的速度，即飛機速度；ρ為大氣密度）的關(guān)系為

飛機速度可通過測量總壓與靜壓的差（動壓）而獲得

動壓可由圖2的U形管的液體高度差獲得測量值，當然，實際技術(shù)實現(xiàn)是由壓力傳感器獲得。

顯然，該測量原理屬于物理學中的流體力學內(nèi)容。

4 結(jié)語

由上述三個不同用途的測速方法我們看到，同樣是測速，卻需要根據(jù)不同情況，利用不同的物理原理設(shè)計工程應用的測量方法。那么，以點帶面地推測，作為各種工程需求，就需要有系統(tǒng)的物理知識做后盾，才能應對學生未來所面臨的不確定的應用對象，那種“模塊化”的物理學習就顯得急功近利而不得要領(lǐng)，所以，對于基礎(chǔ)物理而言都應該系統(tǒng)、邏輯地學習，不能偏頗。

參考文獻

[1]董科.汽車儀表盤工作原理[R/OL]//東南大學《大學物理專題》中國大學MOOC.愛課程平臺.[2019-10-15]

[2]談漱梅，多普勒聲吶.物理學原理在工程技術(shù)中的應用[M].四版.北京：高等教育出版社，2015.

[3]周雨青.空速管工作原理[R/OL]//東南大學《大學物理專題》中國大學MOOC.愛課程平臺.[2019-10-15]

基金項目:  教育部在線教育研究中心在線教育研究基金（全通教育）重點項目 （編號：2016ZD312）; 中國教育學會2018年教改項目“CAP與國際課程（AP、A-level）的比較研究”（編號：18XM1026002ZA）；中國教育學會2018年教改項目“CAP大學與中學合作模式的研究——以物理力學科目當例”（編號：18XM1026011ZB）。