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12-5 物理与军事高技术
一、教学目的：
1.了解物理学在军事方面，特别是在军事高科技中的应用，激发学生学习物理的兴趣。
2.了解物理学在军事方面的原理。
二、教学重点、难点：
物理学在军事方面应用的原理
三、教学器材
四、教学建议
教法建议：多媒体演示，讲解，讨论
教学设计方案：
（一）引入新课：
科学技术的发展大大的促进了经济发展和社会进步，同时也促使军事技术日益走向技术化。自20世纪60年代以来，一大批军事高技术武器装备相继问世，并已经用于或即将用于战争，极大的改变了战争的面貌，对现代战争带来巨大影响。本节将简要介绍与物理学理论，原理有关的部分军事高技术项目。以下介绍侦察监视技术，夜视技术，精确制导武器，电子战，军事航天技术以及探索中的新武器技术。
（二）新课教学：
1．核武器
（1）原子弹 利用铀-235或钚-239等重原子核的裂变反应， 瞬时释放出巨大能量。这种核武器称为原子弹或裂变弹。原子弹的威力通常为几百至几万吨TNT当量，有巨大的杀伤破坏力。它可由不同的运载工具携载而成为核导弹、核航空炸弹、核地雷或核炮弹等，或用作氢弹中的初级(或称扳机)，为点燃轻核引起热核聚变反应提供必需的能量。
图1 原子弹爆炸 图2 原子弹爆炸的受害者
（2）氢弹 利用原子弹爆炸的能量，点燃氢同位素氘、氚等轻原子核，使之发生聚变反应，瞬时释放出巨大能量。这种核武器称为氢弹或聚变弹、热核弹。氢弹的杀伤破坏因素与原子弹相同，但威力比原子弹大得多，可大至几千万吨TNT当量。还可通过设计增强或减弱其某些杀伤破坏因素，其战术技术性能比原子弹更好，用途也更广泛。 ( http: / / baike. / pic / 1 / 11761264357515101.jpg" \t "_blank )
图3 氢弹 图4 氢弹爆炸
（3）中子弹 加强了中子幅射的小型低当量氢弹。作用范围小，时间短，能有效地杀伤人员、对付装甲集群目标，是一种战术核武器。
核武器的杀伤破坏威力极大，其作用主要表现为：
（1）光、热辐射 核爆炸时温度高达上千万开的火球辐射出的光和热，可造成人员视网膜、呼吸道烧伤，闪光致盲，使物质熔化、燃烧。
（2）冲击波 核爆炸瞬间高温火球猛烈膨胀, 压缩周围空气形成高压气浪, 它摧毁、破坏建筑和装备，挤压人体内脏和声觉器官，把人体抛出造成伤亡。
（3）早期核幅射 核爆炸头十几秒内放出的γ射线和中子流，能量大，有很强的芽穿透能力。能引起人员、动物的放射性疾病，甚至死亡。
（4）核电磁脉冲 核爆炸释放的γ射线、X射线与周围分子作用产去生大量带电粒子，带电粒子高速运动形成很强的瞬时电磁波，传向四面八方。它频谱宽、范围广，会在导体中感生出很大的瞬时电流，对电子线路、设备造成干扰和破坏。
以上四种作用，时间不超过数十秒，但杀伤性很大。
（5）放射性沾染 放射性沉降物对地面、水、空气、人体造成污染，其射线会导致各种放射性疾病。这种作用会持续很久。
2．侦察监视技术
现代科学技术的发展，使侦察监视技术水平和能力有很大提高。除了使用常规光，声波以外，各种电磁波（包括无线电波、微波、红外线、紫外线、X射线和γ射线），超声波，以及传感器，计算机技术也都广泛应用于侦察监视技术。
（1）地面侦察手段，主要包括无线电通信侦察，雷达侦察
和地面传感器侦察等。
使用无线电接收器材可以截收和破译敌方无线电通信信号。
用雷达向空中各个方向发射微波，搜索目标。而根据目标反
射的回波即可测定目标的形状、方位、速度等特点。雷达还可以
用于大炮、鱼雷瞄准，导弹制导，地形显示，以及航行保障等。
侦察上经常使用的地面传感器有振动传感器（利用电磁感应 图5 雷达
原理：敌方运动产生的振动使线圈振动，切割磁感线，产生感应电流），声响传感器（工作原理与麦克风相同），磁性传感器（铁磁金属进入磁性探头的磁场中，会使磁场发生改变），应变电缆传感器（目标通过埋设应变钢丝的地面时，压力使它的电阻发生变化）和红外传感器（接收目标发出的红外辐射转换为电信号）。
（2）水下侦察，主要依靠声纳。近年来，磁探测、红外探测、探测电视、雷达、温度梯度等探测技术也有了很大发展。
图5 声纳 图6 台湾海域声纳图
（3）空中和空间侦察
在飞机和卫星上主要使用雷达、可见光照相、红外照相（使用对红外线敏感的胶卷）、激光扫描照相（可实现三维成像）、电视摄像和多光谱照相技术。
多光谱照相机把电磁波划分为几个窄的频段，用几台相机对同一地区拍照，但分别接收一个频段的辐射。这样得到的一组照片经过处理，就可以将地面物体进行分类区别，达到识别伪装的目的。例如：对同一地区用红外、红色、绿色三个频段进行拍摄，将三张胶片通过红、绿、蓝色滤光片投射到同一屏幕上，可以得到一张“假彩色合成”图像。在图像上，生长着的绿色植物呈红色，伪装用的植物呈蓝色，金属物呈黑色。
图7 多光谱照相
3．夜视技术
用于夜视技术的装备有微光夜视器材和热成像仪两大类。
微光夜视器材的原理是：收集目标在夜间微光下发射、反射的可见光、红外线等信号，利用光电效应，使之转换为电信号，信号经放大后送荧光屏显示图像。也可以向目标发射红外线，以加强反射信号。微光夜视仪在星光下对人员的发现距离为几百米，对坦克等大型目标则为几千米。
图8 夜视技术
热成像仪接收目标的红外幅度成像，可以在“全黑”条件下观察目标。它在夜间可以发现二、三千米外的人员。
4．激光技术
激光技术发展很快,功率越来越大。不但有可见光波段的激光，而且有了红外激光、紫外激光。激光技术在军事上可用于测距，通信，激光雷达，激光侦察与警戒，激光引爆，激光干扰与致盲等。
图9 机载激光雷达
激光雷达比微波雷达测量精度高，分辨率高，抗电磁干扰能力强，体积小。
用不可见激光照射敌方办公室，室内的声波引起玻璃窗振动并调制入射激光，接收载有声波信号的反射激光，经过处理即可实现窃听，这是激光侦察的典型例子。
激光警戒则是把激光接收器安装在飞机上，当遇到敌方激光测距机等装备的激光照射时，它会发出信号，指出激光源的方位。
用激光脉冲照射对方的光电设备，可以干扰其工作，甚至使之失去观察能力；对人员，激光可以致眩甚至致盲，使之失去战斗能力。
5．精确制导武器
图10 导弹
（1）导弹是一类精确制导武器。所谓制导，就是对导弹进行引导和控制，调整其运动轨迹，命中目标。而精确制导，命中率一般为50% 以上。
制导的原理是：导弹上的雷达，红外线接收器，电视摄像机等接收设备接受从目标发射、反射的电磁波信号（包括微波，红外线，毫米波，可见光，激光等）或指挥系统的指令信号，由弹载控制系统导引导弹射向目标。有的导弹有信号发射系统，有的则只有接收系统。有的弹载计算机内还预存了目标的数字地图供制导系统比较，有的导弹则使用全球定位系统制导。
（2）精确制导弹药是另一类精确制导武器，它和导弹的主要区别是：
①导弹自身有动力装置，如火箭发动机、喷气发动机或由二者组合的发动机；而精确制导弹药只能靠飞机、火炮投掷，没有自己的动力装置。
②导弹可以在全程实现制导，而精确制导弹药只能在它飞行的末段实现制导寻的。
6．电子战 敌对双方争夺电磁波频谱使用权、控制权的斗争，称为电子战。它包括电子侦察、电子干扰、电子伪装、电子隐身、电子摧毁及对应的反措施等。
7．军事航天技术 把航天技术用于军事目的，主要有以下两个方面：
（1）战略弹道导弹 运载火箭装上弹头既成为战略弹道导弹，它在火箭推进系统工作时按预定弹道飞行，推进系统停止工作后按抛物运动的轨迹飞行。战略弹道导弹用于攻击敌方各种战略目标，它的射程大于500㎞，洲际导弹可达20 000㎞。
（2）军用航天器 军用航天器中，应用最广泛的是军用卫星，它包括侦察卫星、预警卫星、军用通信卫星、导航卫星、气象卫星和测地卫星等。例如，全球卫星定位系统可用于导弹制导。
此外，其他航天器，如航天飞机、宇宙飞船、空间站等都有可能在将来用于军事目的。
（3）全球卫星定位系统 除了开发最早的美国“全球定位（GPS）”系统之外，中、俄、欧盟分别开发出了“北斗（BDS）”、“格洛纳斯（GLONASS ( http: / / baike. / view / 152877.htm" \t "_blank )）”和“伽利略 ( http: / / baike. / view / 3870605.htm" \t "_blank )（GALILEO ( http: / / baike. / view / 490727.htm" \t "_blank )）”系统，已成四足鼎立之势。这些系统可用于测绘、定位、导航和公共安全方面，也可用于情报收集、核爆监测、导弹制导等其他军事目的（美国GPS本来就是军方的项目）。
（4）全球快速打击体系 为了能够1 h内打击全球任意目标，美国正在研发全球快速打击体系：从陆、海、空各个方面，利用火箭、导弹和数倍于声速的飞行器，密集发射改装后的常规弹头和导弹；利用卫星和可重复使用的无人空间飞行器，携带大量特制弹头在轨飞行，随时从太空打击地面目标。该体系陆、海、空、天四位一体，能够快速、高精度投掷大量弹头和导弹，在局部地区制造与核爆炸相似的效果。它的目的是在保持全球威慑力的同时，大大降低对核武器的依赖。
图11 战略弹道导弹 图12 军用航天器
8．探索中的新武器
在战场上，新武器、新技术的出现，往往会对战争的胜负产生重大响不断发展的高新技术为新武器、军事高技术的研制提供了充分的条件。以下简要介绍与物理关系密切的一些新武器。
（1）定向能武器 这一类武器包括高能激光武器、粒子束武器、高功率微波武器等。
高能激光武器（又称激光炮） 利用高能激光束去摧毁飞机、导弹、卫星等目标。激光可以使目标表面汽化，形成等离子体向外喷射，同时使目标材料破裂以至爆炸，等离子体辐射的紫外线、X射线又能损伤目标内部的电子元件。高能激光武器速度快，精度高，无污染，费用省，且不受电磁干扰。
图13 高能激光武器 图14 粒子束武器
粒子束武器 把经过加速的高能粒子（带电的或不带电的）射向目标，粒子强大的动能作用于目标，产生类似于高能激光武器的破坏效应。
高功率微波武器 使用峯峰值功辛率在100 MW以上的高功率微波射向目标，微波会在金属表面产生感应电流，对目标产生强加热作用。这两种效应破坏目标电子元器件，使电子控制系统失效。高功率微波产生的生物效应可使人神经紊乱、行为失控、心肺功能衰竭、烧伤乃至烧死。
（2）动能武器。传统炸弹依靠爆炸摧毁目标，而动能武器依靠本身的极大功能（通常其速度要达到5倍声速以上），通过与目标直接碰撞实现打击、破坏的目的。加速弹丸的装置有大炮、火箭和电磁炮。下图是电磁炮原理图，弹丸可沿导轨滑行，电流由导轨1经弹丸流向导轨2，两导轨见产生图示磁场。弹丸受到图示方向的安培力，从而被加速。


图15 电磁炮
（3）非致命武器
反装备武器 专门对付敌方装备而不杀伤人员的武器。海湾战争中，美国飞机、巡航导弹向伊拉克发电厂、雷达站投放了大量很细的（导电）碳纤维，使高压线短路，雷达和防空导弹不能使用；美国间谍给伊拉克从法国购买的打印机装上计算机病毒芯片，严重干扰了伊拉克防空系统的指挥。这是反装备武器在实战中应用的典型例子。其他如橡胶溶化剂、化学粘结剂、特种润滑剂等使车辆无法进行，油料凝结剂使车辆无法启动；超级腐蚀剂能毁坏桥梁和装备的金属结构，破坏仪器及弹药点火装置。
次声武器 使用次声波与人体器官发生共振，导致器官发生位移和形变而造成损伤，可使人不适、无力、头晕、恶心、眼球振颤以至神志失常、内脏振颤等。大功率定向次声波能穿透15 m厚的混凝土，足以毁坏飞机、坦克、航艇，因而也可用于反装备。
高能超声波武器 高能量的超声波可以造成强大的大气压力，使人视觉模糊，恶心呕吐，减弱或丧失战斗能力。它也可用于破坏电子系统和扫雷等。
情绪控制武器 一些特殊的电磁波或白噪声（一种令人心烦、讨厌的声音），可以进入人的潜意识，控制人的情绪，改变人的行为。
光弹 在高能炸弹里装上稀有气体（惰性气体），炸弹爆炸时产生高温使气体发出极强的光，可以破坏视力，致盲人眼。
图16 白噪声 图17 光弹
以上所述新武器，有的还在研制，有的已经经过多次试验，有的已接近部署，有的已经用于实战。
军事高技术使武器装备的技术性能提高到了前所未有的水平，它对战争的进程和结果都会产生重大影响。但是，没有一种武器装备是不可战胜的。例如，有了侦察技术，就有了隐身技术；有了间谍卫星，就有了俘获或毁、伤卫星的反卫星卫星；有了精确制导武器，就有了反导弹技术……
（三）作业布置：
上网查阅资料，整理总结核武器对人类的破坏作用。
（四）教学建议：
1．视频播放广岛、长崎原子弹爆炸实况，从而对学生进行爱和平、爱家园教育。
2．可事先让学生搜集武器种类，课堂归类。

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