物理学与军事技术

第5章物理学与军事技术制作:红河学院理学院ZhuQiaoZhongManufacture:ZhuQiaoZhong2第5章物理学与军事技术在冷兵器时代，与军事应用结合最紧密的无疑是力学。三弓床弩（宋）：又称“八牛弩”，箭矢以坚硬的木头为箭杆，以铁片为翎，世称“一枪三剑箭”，发射时蔚为壮观，箭支有如标枪，近距离发射可以直接钉入到城墙里面，齐射的时候，成排成行的踏橛箭牢牢地钉入城墙，攻城兵士可以藉此攀缘而上。为了发挥更大的射击效果，把三张大弓合并起来，需30人才可拉开。最远射程达1.5km。欧洲的配重式投石机能将近百公斤的石块投掷出去…Manufacture:ZhuQiaoZhong3第5章物理学与军事技术当人类进入火器时代之后，工业的力量极大地改变了战争的模式，更多更新的物理学理论被应用到了战争中。随着战场距离和打击范围的加大，光学，弹道学，测量学等大行其道。物理学的技术成果提升了军事装备的水平，面军事上的实践则为理论的完善提供了最直接的数据支持。最典型的例子是德国的蔡司和毛瑟两家公司，正是德国军人的连年征战帮德国人获得了最可靠的技术资料，从而成为世界一流的技术研究机构，其技术水平领先世界长达数十年。20世纪两场世界大战，更是可以称之为物理理论与技术革新的催化剂…无数影响现代人类社会的伟大发明正是在这一时期完善的。雷达技术，声纳技术，计算机技术，核武器技术…Manufacture:ZhuQiaoZhong4第5章物理学与军事技术时至今日，人类关于物理学在军事方面的运用已不再局限于纯物理打击了。人类已摸索出了新兴物理理论的方法，如激光武器，声纳武器，纳米武器等。现代军事科学的知识密度高，综合性强，许多高精尖现代化军事武器，如红外制导，红外夜视，激光雷达，声纳及核武器等都与物理学的最新成就密切相关。物理学在军事科学中的应用占有不小的比例。军事武器的不断发展在一定程度上也促进了物理学的进步。几百年来，一度在科幻作品中出现的那些神秘武器，如光学武器，声波武器，电磁波武器，核武器等，如今已纷纷面世。尽管目前这类武器的性能和状况还不够完善，人们对制造与使用这些武器，也存有较多疑虑和争议，但物理学与军事武器的紧密相关性是不容置疑的。Manufacture:ZhuQiaoZhong5第5章物理学与军事技术一、声波武器声波是机械纵波，可以在固体、液体和气体中传播。目前军事领域中应用的主要是次声波部分。在自然界和人类活动中广泛存在着次声波，海上风暴、火山爆发、龙卷风、磁暴、极光等自然现象，常伴有次声波的发生，核爆炸、导弹飞行、火炮发射、轮船航行、汽车急驰，甚至像鼓风机、搅拌机等，也能产生次声波。和可闻声波相比，次声波在介质中传播时，能量衰减缓慢，隐蔽性好，所以军事上常用次声波接收装置来侦察敌情。另一方面，次声波武器还可直接消灭敌人的有生力量。10-310-210-1100101102103104105106ν/Hz声波20-20000Hz超声波20000-1011Hz次声波10-3-20HzManufacture:ZhuQiaoZhong6第5章物理学与军事技术声源声强I（W/m-2）声强级LI（dB）引起痛觉的声音1120炮声1120铆钉声10-2100震耳交通繁忙的街道10-570响通常谈话10-660正常耳语10-1020轻树叶沙沙声10-1110极轻引起听觉的最低声音10-12（标准声强）0)(lg100dBIILI)/(21222mWuAIManufacture:ZhuQiaoZhong7第5章物理学与军事技术人耳的平均听觉范围（每根红线为等响度线）20100050010050001000002040608010012010-210-410-610010-810-1010-12L/dbI/W/m2HZ痛阈闻阈语言区域Manufacture:ZhuQiaoZhong8第5章物理学与军事技术次声波的杀伤原理人们通过次声波引发的破坏现象，逐步认识到它杀人于无形的威力。1948年，一艘名为“乌兰格梅奇”号的荷兰货船，在马六甲海峡遭遇风暴，当救助人员赶到时，船上人员都莫明其妙地死了。后经科学家们调查，发现让他们死亡的罪魁就是风暴与海面惊涛引起的次声波。次声波的频率为0.0001～20Hz。人体各部位细微脉动频率一般为2～16Hz，如内脏为4～6Hz，头部为8～12Hz等。人体的这些固有频率正好在次声波的频率范围内，一旦大功率的次声波作用于人体，就会导致器官变形、移位、甚至破裂，从而达到杀伤目的。Manufacture:ZhuQiaoZhong9第5章物理学与军事技术次声武器大体可分为两类：“神经型”次声武器、“器官型”次声武器1）“神经型”次声武器：次声频率和人脑α节律（约5Hz）很接近，所以次声波作用于人体时会刺激人的大脑引起共振，对人的心理和意识产生一定影响：轻者感觉不适，注意力下降，情绪不安，导致头昏、恶心；严重时神经错乱，癫狂不止，休克昏厥，丧失思维能力。2）“器官型”次声武器：当次声波频率和人体内脏器官固有频率（4-18Hz）相近时，会引起人的五脏六腑产生强烈共振。轻者肌肉痉挛，全身颤抖，呼吸困难；重者血管破裂，内脏损伤，甚至迅速死亡。Manufacture:ZhuQiaoZhong10第5章物理学与军事技术次声武器的优点①突袭性。次声波在空气中的传播速度为每秒三百多米，在水中传播更快，每秒可达1500m左右。次声波是常人听不到、看不见的，故除了传播迅速之外，又具有良好的隐蔽性。②作用距离远。根据物理学原理，声波的频率越低，传播时介质对它的吸收就越小，波的传播距离也越远。比如，炮弹产生的可闻声波，由于衰减快，在几千米外就听不到了，但它产生的次声波，可传到80km以外；而氢弹产生的次声波可绕地球传播好几圈，行程十几万千米。故高强度的次声武器具有洲际作战能力。Manufacture:ZhuQiaoZhong11第5章物理学与军事技术③穿透力强。传播介质对低频率声波的吸收较小，故次声波具有很强的穿透能力。实验表明，次声波能穿透几十米厚的钢筋混凝土。因此，无论敌人是在掩体内躲藏，还是乘坐在坦克中，或深海的潜艇里，都难以逃脱次声武器的袭击。④无污染。次声波在杀伤敌人的同时，不会造成环境污染，不破坏对方的武器装备。需指出的是，目前次声武器发出的次声波的强度和方向性等因素尚待进一步研究，所以真正应用于战争的次声武器还不多见。Manufacture:ZhuQiaoZhong12第5章物理学与军事技术次声武器的应用早在上世纪60年代，发达国家就竞相研究次声波武器。1972年，加夫雷奥（法）制成一台强次声发生器，首次试验就使5km以内的人员受到伤害。发明者还得出结论：频率为7Hz的次声波可对人体造成致命的打击。上世纪80年代，加弗罗（法）制出了一种声压级为160dB的“大哨笛”次声发生器，能对人体器官产生损伤。1979年苏联秘密进行次声炸弹试验，由于当时对其威力估计不足，又缺乏良好防护，造成数名现场人员死亡。据外刊报道，1986年法国进行次声实验时，由于疏忽致使次声波冲出实验室，导致16km外一个正在吃饭的20口之家和正在田间劳作的10口之家全部丧命。美国曾研制出一种可延伸至17米长的喇叭型声炮，发射功率达20kW。上世纪70年代，美警方开发了使人“僵化”或失去战斗力的次声武器，来控制骚乱。据称美国干涉波黑内战时，曾秘密用过这些非致命次声武器，仅几秒钟就使塞军阵地陷入一片混乱，有人昏倒，有人呕吐不止。美国还曾把一个小型次声发生器带到剧院内，剧场气氛完美全变了，充满迷惑不解和恐惧不安。Manufacture:ZhuQiaoZhong13第5章物理学与军事技术二战时期，德国秘密研制次声武器，试图利用其产生的“大声效应”摧毁整个城市，消灭敌军士兵或者使其丧失战斗力。1940年，德军计划向英国投掷有著名音乐家签名的留声机唱片，这些唱片将经过专门录制，加进次声，以引起听者出现慌乱、恐怖感及其它精神失常现象，从而造成骚乱。但这一计划并没有实现。纳粹科学家成功进行了可作用于物体的次声武器的试验。奥地利科学家齐珀梅耶制造出一种能制造旋风的“旋风加农炮”，它利用特殊的喷嘴，通过炮弹爆破制造旋风发射攻击波，可击落飞机。前苏联用次声波装置实验时曾使附近驻军产生“军团疾病”。……次声武器一般由次声发生器、动力装置和控制系统组成。目前，次声武器研制所面临的关键问题是定向聚焦、提高强度、小型化和操作安全。尚待进一步研究，所以真正应用于战争的次声武器还不多见。Manufacture:ZhuQiaoZhong14第5章物理学与军事技术超声波的应用简介超声波在军事上的应用也很多。由于海水有良好的导电性，对电磁波的吸收能力很强，因而电磁雷达无法探测水下作战目标（如潜水艇）的方位和距离。所谓超声波，是指高频率的机械波（频率大约在20kHz以上）。它具有能流密度大，方向性好，穿透力强等特点。超声波在空气中衰减较快，而在固体、液体中的衰减却很小，这正好与电磁波相反。这种情况下，超声波雷达“声纳”，便可发挥巨大的威力。Manufacture:ZhuQiaoZhong15第5章物理学与军事技术激光武器20世纪四大发明：原子能、半导体、计算机、激光。激光是利用光能、热能、电能、化学能或核能等外部能量来激励物质，使其发生受激辐射而产生的一种特殊的光。)(a2E1E自发发射)(b2E1E自发吸收)(c2E1E受激发射1917年，爱因斯坦提出受激发光概念。但到1955年才第一次实现微波受激发射，于1960年第一次实现光的受激发射。Manufacture:ZhuQiaoZhong16第5章物理学与军事技术1958年，汤斯和肖洛提出光激射理论即“激光方案”（右上角是早期的激光器）1960年，梅曼（美）制成第一台红宝石激光器（λ=694.3nm）Manufacture:ZhuQiaoZhong17第5章物理学与军事技术He-Ne激光器结构示意图全反射镜(100%反射)部分反射镜(98%反射)阳极阴极放电管布儒斯特窗（石英片）布儒斯特窗（石英片）激光工作气体He-Ne激光器的阳极一般用钨棒制成，阴极一般用电子发射率高的铝合金制成。一般将阴极做成圆筒状。Manufacture:ZhuQiaoZhong18第5章物理学与军事技术1.亮度高太阳亮度值约为103W/(cm2.sr)数量级；而目前大功率激光器的输出亮度可高达1010-1017W/(cm2.sr)数量级。例如：1mwHeNe激光器的亮度为太阳亮度的44倍。一台普通红宝石激光器的亮度，比太阳亮度高8个数量级。激光束经聚焦后，可产生几百万个单位的高温高压。千分之一秒内使任何金属汽化。2.单色性好单色性的表征量/高达1010-1013；而较好的单色光源的单色性量值只有106左右。例如：HeNe激光的单色性比最好的氪灯好105倍。激光的特性Manufacture:ZhuQiaoZhong19第5章物理学与军事技术3.方向性好激光束发散度极小，约10-3rad，接近平行。仅为探照灯的几百分之一。1962年，第一次用激光照射月球，S月地≈38万km，但激光在月球表面的光斑不到两km。4.相干性好激光在军事上的应用主要有：激光测距、激光雷达、激光制导、激光武器、武器鉴定、武器火控、跟踪识别、指挥导引、大气测量Manufacture:ZhuQiaoZhong20第5章物理学与军事技术1.激光测距激光测距的原理：向目标发射激光信号，根据激光信号往返于测点与目标之间所用的时间而求出距离。激光测距在军事上可用于地形测量，战场前沿测距，坦克及火炮的测距，测量云层、飞机、导弹及卫星的高度等。Manufacture:ZhuQiaoZhong21第5章物理学与军事技术2.激光雷达激光雷达：利用激光束搜索、跟踪和测量活动目标的装置。激光雷达的工作原理和微波雷达相似,都是利用电磁波照射目标并接收回波的方法，发现、识别和指示目标的，只是工作