發(fā)布時間：2016-04-21所屬分類：教育職稱論文瀏覽：1次
摘 要： 當(dāng)前物理教學(xué)中新建設(shè)管理上有什么好的發(fā)展呢，如何來促使現(xiàn)在物理教學(xué)新制度呢?本文是一篇教學(xué)論文。構(gòu)造物理模擬實驗對于地殼表層構(gòu)造體系的重演具有獨特優(yōu)勢,但其受控于多種因素的影響,這些因素包括實驗前期與模型的設(shè)計、變形物質(zhì)特性和動力學(xué)機制等,每
當(dāng)前物理教學(xué)中新建設(shè)管理上有什么好的發(fā)展呢，如何來促使現(xiàn)在物理教學(xué)新制度呢?本文是一篇教學(xué)論文。構(gòu)造物理模擬實驗對于地殼表層構(gòu)造體系的重演具有獨特優(yōu)勢,但其受控于多種因素的影響,這些因素包括實驗前期與模型的設(shè)計、變形物質(zhì)特性和動力學(xué)機制等,每一個環(huán)節(jié)對于實驗結(jié)果的影響都至關(guān)重要,系統(tǒng)分析區(qū)域地質(zhì)背景、嚴格確定邊界幾何條件、科學(xué)合理的設(shè)計模型是構(gòu)造物理模擬實驗的關(guān)鍵。此外,應(yīng)盡量避免構(gòu)造模擬過程中人為因素對實驗結(jié)果的影響。
摘要：自然界的各種地質(zhì)構(gòu)造均是地殼巖石受力作用的結(jié)果。砂箱物理模擬實驗因與地表具備相似的流變學(xué)特征,因而長期以來被國內(nèi)外眾多地質(zhì)學(xué)者采用。自1815年霍爾在他的實驗室用疊層厚布再現(xiàn)褶皺的形成和演化過程以來,構(gòu)造物理模擬實驗已經(jīng)經(jīng)歷了巨大的改變與創(chuàng)新[1-3]。無論是從實驗裝置、實驗材料、變形記錄抑或是實驗結(jié)果的分析與處理,都使得人們能夠更加真實準確地再現(xiàn)地質(zhì)變形過程與演化。同時,構(gòu)造物理模擬實驗的理論性研究也逐漸的系統(tǒng)和完善,諸如機制模擬模型和比例模擬模型的分類、變形幾何學(xué)和解析方程的引用等。該文在查閱國內(nèi)外大量文獻的基礎(chǔ)上,結(jié)合筆者長期以來從事的構(gòu)造物理模擬實驗,簡要闡述構(gòu)造物理模擬實驗中的幾個關(guān)鍵因素以及要注意的問題,以期為研究同行提供參考與借鑒。
關(guān)鍵詞：物理教學(xué),教學(xué)建設(shè),教學(xué)論文
1 實驗條件的確定
1.1邊界幾何條件
根據(jù)國內(nèi)外學(xué)者的研究,構(gòu)造物理模擬實驗可以分為比例模擬模型和機制模擬模型兩大類[4-5]。所謂比例模擬模型,是指針對實際地質(zhì)體的實驗?zāi)M,即采用反演的方式,通過研究某一區(qū)域的地質(zhì)背景,并結(jié)合概念模型實驗的結(jié)果,提出一個或多個地質(zhì)模型,反復(fù)實驗直到與目標地質(zhì)體相似,以確定其成因機制和邊界條件。而機制模擬模型并不針對具體某一區(qū)域,而是對抽象地質(zhì)模型的實驗?zāi)M,即采用正演的方式,研究分析構(gòu)造變形要素(構(gòu)造作用方式、邊界幾何條件、應(yīng)變速率、內(nèi)部結(jié)構(gòu)和材料性質(zhì)等)對變形機制的控制和影響。因此,在構(gòu)造物理模擬實驗的前期準備中,首選要根據(jù)研究對象確定模型類型。在比例模擬模型中,最重要的是研究區(qū)域/局部構(gòu)造特征,即根據(jù)區(qū)域/局部構(gòu)造野外的表現(xiàn)形式與其形變場的關(guān)系,深入分析褶皺類型、構(gòu)造格架、受力方式。例如在分析褶皺構(gòu)造時,應(yīng)確定褶皺的空間類型與次序關(guān)系、動力源與主應(yīng)力方向等,在分析構(gòu)造格架時,應(yīng)確定斷裂的活動方式、伴生構(gòu)造、組合與相互結(jié)構(gòu)關(guān)系等。而在機針對抽象構(gòu)造樣式的機制模擬模型實驗,其邊界條件的確定則相對容易,只需對構(gòu)造作用方式和內(nèi)部結(jié)構(gòu)等要素作定性的確定即可。
1.2實驗材料
巖石類型可分為脆性、脆-塑性和塑性,在地質(zhì)體中,脆性巖石較為常見。目前構(gòu)造物理模擬實驗中使用最廣泛的脆性材料為干燥石英砂,其粒徑為0.2~0.4 mm,內(nèi)摩擦角為29~31°,內(nèi)摩擦系數(shù)約為0.55,且粘聚力低,是模擬地殼淺層脆性變形的理想材料,同時,染色的石英砂并不會改變其物理屬性,因而可以很好地作為標志層,方便實驗的觀察和記錄。鑒于實際地質(zhì)體中滑脫層的存在,在實驗室狀態(tài)下同樣具備相應(yīng)的模擬材料。目前,國內(nèi)外學(xué)者模擬塑性層使用最多的有濕粘土、硅膠和微玻璃珠。濕粘土模擬歷來備受重視,我國著名地質(zhì)學(xué)家李四光就曾親自用濕粘土做過山字型構(gòu)造等模擬實驗。硅膠粘度為1.2×104 Pa.S,密度為0.926 g/cm3,在低應(yīng)變速率下具有牛頓流體特征。微玻璃珠的粘聚力幾乎為零,內(nèi)摩擦角25°,通常被用來模擬弱的滑脫層。無論是干燥的石英砂還是濕粘土,二者的摩擦行為是相似的,其摩擦特征均服從庫倫破裂準則,只是石英砂的內(nèi)聚強度比濕粘土要小得多。在同樣邊界條件下,實驗中干燥的石英砂和濕粘土甚至可互相轉(zhuǎn)換使用,只是由于內(nèi)聚強度大小的不同會導(dǎo)致二者的變形特征有細微差別,暗示了速度對于不同實驗材料的影響是非常小的。在濕粘土中,斷層的產(chǎn)生和傳播相對于其在干燥石英砂中慢得多。斷層傳播越慢,表明沿著小斷層發(fā)生更多的變形,最終其構(gòu)造樣式更復(fù)雜,這與我們的實驗結(jié)果有較高的一致性。
物理論文：《物理教學(xué)探討》創(chuàng)刊于1980年，原名《重慶物理教學(xué)》，自1983年初改為現(xiàn)名。本刊由西南大學(xué)(原西南師范大學(xué))主管，西南大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院主辦，中國教育學(xué)會物理教學(xué)專業(yè)委員會合辦，中國學(xué)術(shù)期刊綜合評價數(shù)據(jù)庫(CAJCED)來源期刊;《中國期刊網(wǎng)》全文收錄期刊;被萬方數(shù)據(jù)、中國知網(wǎng)、龍源期刊、重慶維普等數(shù)十字專業(yè)期刊網(wǎng)站全文收錄。
2 實驗?zāi)Ｐ偷慕?/p>
精細的構(gòu)造解析和深入的力學(xué)分析是成功模擬實際地質(zhì)體的先決條件,同時,全面準確的實驗過程又會對野外構(gòu)造現(xiàn)象的解釋提供新的啟發(fā),在此基礎(chǔ)上建立起來的實驗?zāi)Ｐ筒庞懈茖W(xué)依據(jù)。通過前期確定某地區(qū)平面的和垂向的構(gòu)造背景,甚至必要時做平衡剖面恢復(fù)和剝蝕量計算,才可進行模型的建立。砂箱實驗?zāi)Ｐ团c地表淺部構(gòu)造變形原型之間的相似性是通過砂箱模擬實驗來探討構(gòu)造變形問題的前提。物理模擬實驗的相似性主要是幾何學(xué)、運動學(xué)、動力學(xué)三方面的相似構(gòu)造物理模擬實驗?zāi)Ｐ偷慕⒁裱韵孪嗨圃瓌t:(1)材料相似;(2)時間相似;(3)組合形式相似;(4)邊界條件相似;(5)受力方式相似;(6)幾何尺寸相似。遵循了以上的相似原則之后,構(gòu)造物理模擬實驗首先要確定的就是構(gòu)造作用方式,包括擠壓、拉張、隆升等,其次確定材料結(jié)構(gòu)展布特征,如材料布置的厚度、形狀、滑脫層與標志層的關(guān)系等,最后要確定作用的速度。一般實驗室的步進電機速度可以精確到1.0×10-4 mm/s,而根據(jù)筆者前期系列實驗的啟發(fā),較低的作用速度是相對合理、有效的。
3 實驗過程的記錄
構(gòu)造物理模擬實驗一般是在幾十分鐘甚至幾十小時內(nèi)完成的,因此實驗的記錄至關(guān)重要。目前國內(nèi)外構(gòu)造物理模擬實驗室采用最多的記錄方式有幾下幾種:相機定時拍照、粒子測速系統(tǒng)(PIV)全程記錄、光纖光柵系統(tǒng)(FBG)全程監(jiān)測、三維掃描系統(tǒng)全程掃描。相機的拍照記錄一般是每變形1 mm記錄一次,便于實驗的觀察和后期的處理。粒子測速系統(tǒng)(PIV)是隨著近幾年圖像處理技術(shù)發(fā)展起來的,它能對每一個粒子進行動態(tài)速度監(jiān)測,可以在不干擾測試對象的基礎(chǔ)上實現(xiàn)全過程的動態(tài)測量,并得到瞬時速度場的矢量值,并可在其基礎(chǔ)上進一步得到流線圖和渦量等勢圖。光纖光柵系統(tǒng)(FBG)是分布于地質(zhì)模型中的敏感元件,可全程進行應(yīng)力-應(yīng)變和溫度的測量,可實現(xiàn)對構(gòu)造物理模擬實驗介質(zhì)多方位的監(jiān)測。
4 實驗結(jié)果的處理
基于全方位監(jiān)測系統(tǒng)的構(gòu)造物理模擬實驗,數(shù)據(jù)和結(jié)果的分析處理至關(guān)重要。根據(jù)McClay(2004)提出的擠壓實驗?zāi)Ｐ徒庾g圖,挑選關(guān)鍵點照片進行相應(yīng)處理,包括對構(gòu)造楔形體相關(guān)參數(shù)的測量以及幾何學(xué)特征的對比等,需要注意的是該過程人為因素影響較大,系列實驗的測量應(yīng)盡量避免。對于圖像測速系統(tǒng)(PIV)儲存的記錄,進行速度矢量圖的批量處理,速度場突變界限與形變節(jié)點具有高度一致性,而速度矢量與砂箱介質(zhì)運動學(xué)共同揭示了砂箱楔形體動態(tài)變性特征,因此特別要注意那些發(fā)生形變時對應(yīng)的圖像。光纖光柵系統(tǒng)(FBG)的檢測結(jié)果反映了應(yīng)力-應(yīng)變和溫度的變化過程,應(yīng)力極值點與構(gòu)造變形點有很好的耦合性。最終結(jié)合三維掃描系統(tǒng)構(gòu)建3D構(gòu)造樣式圖,綜合分析構(gòu)造物理模擬的變形過程和構(gòu)造樣式。
