發布時間：2016-04-21所屬分類：教育職稱論文瀏覽：1次
摘 要： 當前物理教學中新建設管理上有什么好的發展呢，如何來促使現在物理教學新制度呢?本文是一篇教學論文。構造物理模擬實驗對于地殼表層構造體系的重演具有獨特優勢,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計、變形物質特性和動力學機制等,每
當前物理教學中新建設管理上有什么好的發展呢，如何來促使現在物理教學新制度呢?本文是一篇教學論文。構造物理模擬實驗對于地殼表層構造體系的重演具有獨特優勢,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計、變形物質特性和動力學機制等,每一個環節對于實驗結果的影響都至關重要,系統分析區域地質背景、嚴格確定邊界幾何條件、科學合理的設計模型是構造物理模擬實驗的關鍵。此外,應盡量避免構造模擬過程中人為因素對實驗結果的影響。
摘要：自然界的各種地質構造均是地殼巖石受力作用的結果。砂箱物理模擬實驗因與地表具備相似的流變學特征,因而長期以來被國內外眾多地質學者采用。自1815年霍爾在他的實驗室用疊層厚布再現褶皺的形成和演化過程以來,構造物理模擬實驗已經經歷了巨大的改變與創新[1-3]。無論是從實驗裝置、實驗材料、變形記錄抑或是實驗結果的分析與處理,都使得人們能夠更加真實準確地再現地質變形過程與演化。同時,構造物理模擬實驗的理論性研究也逐漸的系統和完善,諸如機制模擬模型和比例模擬模型的分類、變形幾何學和解析方程的引用等。該文在查閱國內外大量文獻的基礎上,結合筆者長期以來從事的構造物理模擬實驗,簡要闡述構造物理模擬實驗中的幾個關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。
關鍵詞：物理教學,教學建設,教學論文
1 實驗條件的確定
1.1邊界幾何條件
根據國內外學者的研究,構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,是指針對實際地質體的實驗模擬,即采用反演的方式,通過研究某一區域的地質背景,并結合概念模型實驗的結果,提出一個或多個地質模型,反復實驗直到與目標地質體相似,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域,而是對抽象地質模型的實驗模擬,即采用正演的方式,研究分析構造變形要素(構造作用方式、邊界幾何條件、應變速率、內部結構和材料性質等)對變形機制的控制和影響。因此,在構造物理模擬實驗的前期準備中,首選要根據研究對象確定模型類型。在比例模擬模型中,最重要的是研究區域/局部構造特征,即根據區域/局部構造野外的表現形式與其形變場的關系,深入分析褶皺類型、構造格架、受力方式。例如在分析褶皺構造時,應確定褶皺的空間類型與次序關系、動力源與主應力方向等,在分析構造格架時,應確定斷裂的活動方式、伴生構造、組合與相互結構關系等。而在機針對抽象構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,只需對構造作用方式和內部結構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,在地質體中,脆性巖石較為常見。目前構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,內摩擦角為29~31°,內摩擦系數約為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。鑒于實際地質體中滑脫層的存在,在實驗室狀態下同樣具備相應的模擬材料。目前,國內外學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,我國著名地質學家李四光就曾親自用濕粘土做過山字型構造等模擬實驗。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換使用,只是由于內聚強度大小的不同會導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,表明沿著小斷層發生更多的變形,最終其構造樣式更復雜,這與我們的實驗結果有較高的一致性。
物理論文：《物理教學探討》創刊于1980年，原名《重慶物理教學》，自1983年初改為現名。本刊由西南大學(原西南師范大學)主管，西南大學物理科學與技術學院主辦，中國教育學會物理教學專業委員會合辦，中國學術期刊綜合評價數據庫(CAJCED)來源期刊;《中國期刊網》全文收錄期刊;被萬方數據、中國知網、龍源期刊、重慶維普等數十字專業期刊網站全文收錄。
2 實驗模型的建立
精細的構造解析和深入的力學分析是成功模擬實際地質體的先決條件,同時,全面準確的實驗過程又會對野外構造現象的解釋提供新的啟發,在此基礎上建立起來的實驗模型才有更科學依據。通過前期確定某地區平面的和垂向的構造背景,甚至必要時做平衡剖面恢復和剝蝕量計算,才可進行模型的建立。砂箱實驗模型與地表淺部構造變形原型之間的相似性是通過砂箱模擬實驗來探討構造變形問題的前提。物理模擬實驗的相似性主要是幾何學、運動學、動力學三方面的相似構造物理模擬實驗模型的建立要遵循以下相似原則:(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,構造物理模擬實驗首先要確定的就是構造作用方式,包括擠壓、拉張、隆升等,其次確定材料結構展布特征,如材料布置的厚度、形狀、滑脫層與標志層的關系等,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,而根據筆者前期系列實驗的啟發,較低的作用速度是相對合理、有效的。
3 實驗過程的記錄
構造物理模擬實驗一般是在幾十分鐘甚至幾十小時內完成的,因此實驗的記錄至關重要。目前國內外構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(PIV)全程記錄、光纖光柵系統(FBG)全程監測、三維掃描系統全程掃描。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(PIV)是隨著近幾年圖像處理技術發展起來的,它能對每一個粒子進行動態速度監測,可以在不干擾測試對象的基礎上實現全過程的動態測量,并得到瞬時速度場的矢量值,并可在其基礎上進一步得到流線圖和渦量等勢圖。光纖光柵系統(FBG)是分布于地質模型中的敏感元件,可全程進行應力-應變和溫度的測量,可實現對構造物理模擬實驗介質多方位的監測。
4 實驗結果的處理
基于全方位監測系統的構造物理模擬實驗,數據和結果的分析處理至關重要。根據McClay(2004)提出的擠壓實驗模型解譯圖,挑選關鍵點照片進行相應處理,包括對構造楔形體相關參數的測量以及幾何學特征的對比等,需要注意的是該過程人為因素影響較大,系列實驗的測量應盡量避免。對于圖像測速系統(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點具有高度一致性,而速度矢量與砂箱介質運動學共同揭示了砂箱楔形體動態變性特征,因此特別要注意那些發生形變時對應的圖像。光纖光柵系統(FBG)的檢測結果反映了應力-應變和溫度的變化過程,應力極值點與構造變形點有很好的耦合性。最終結合三維掃描系統構建3D構造樣式圖,綜合分析構造物理模擬的變形過程和構造樣式。
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