《物理学与世界进步》,第5章,物理学与军事技术,制作:红河学院理学院 Zhu Qiao Zhong,2,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…,3,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…,4,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5,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6,第5章 物理学与军事技术,,7,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）,8,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9,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10,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11,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。
12,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13,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14,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15,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16,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）,17,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18,第5章 物理学与军事技术,1.亮度高 太阳亮度值约为103 W/(cm2.sr)数量级；而目前大功率激光器的输出亮度可高达1010-1017 W/(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,19,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km4.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,20,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21,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，只是工作波段不同。
22,第5章 物理学与军事技术,3.激光制导,应用激光作为跟踪目标和传输信息的手段，将导弹、航空炸弹等导向目标的技术激光制导具有命中精度高、抗电磁干扰能力强等优点，因而得到广泛应用，是精确制导武器的一种重要制导方式 激光制导主要有半主动 回波式制导、全主动回 波式制导和波束式制导 目前应用较为普遍的是 半主动回波式制导23,第5章 物理学与军事技术,战略反导激光武器,24,第5章 物理学与军事技术,4.激光武器,激光武器是一种利用定向发射的激光束直接毁伤目标或使之失效的定向能武器 根据作战用途的不同，激光武器可分为战术激光武器和战略激光武器两大类 武器系统主要由激光器和跟踪、瞄准、发射装置等部分组成，目前通常采用的激光器有化学激光器、固体激光器、CO2激光器等激光武器具有攻击速度快、转向灵活、可实现精确打击、不受电磁干扰等优点，但也存在易受天气和环境影响等弱点。
25,第5章 物理学与军事技术,26,第5章 物理学与军事技术,,激光武器已有30多年的发展历史，其关键技术也已取得突破，美国、俄罗斯、法国、以色列等国都成功进行了各种激光打靶试验 目前低能激光武器已经投入使用，主要用于干扰和致盲较近距离的光电传感器，以及攻击人眼和一些增强型观测设备 高能激光武器主要采用化学激光器，按照现有的水平，今后5-10年内可望在地面和空中平台上部署使用，用于战术防空、战区反导和反卫星作战等。