农业物料学

1课程简介课程号：13120310课程名称：生物物料学课程英文名称：PhysicalPropetiesofBio-Materials周学时：1～1.5学时学分：1.5主要教学内容：绪论总述第一章基本物理参数第二章固体生物物料的流变特性第三章液体生物物料的流动特性第四章生物物料的流动力学特性第五章散粒物料的力学特性第六章生物物料的热学特性第七章生物物料的光学特性第八章生物物料的电学特性第九章生物物料的核磁共振，X射线等反应特性选用教材或参考书：《PhysicalPropetiesofBio-Materials》《农业物料学》周祖锷，中国农业出版社，1994年5月2教学大纲一、课程的教学目的和基本要求《生物物料学》是生物系统工程专业的重要专业基础平台课程之一。它是运用近代物理学理论、技术和方法，研究农业物科物理性质以及各个物理因子和生物物料相互作用的一门边缘学科。它是物理学、工程学科和生物学各学科之间的桥梁，也是生物系统工程学科的基础。它的任务是为学生学习有关专业课以及今后从事科研、教学、生产和开发工作建立比较牢固的生物物料物理特性基本理论研究基础。通过本课程的学习，学生应掌握生物物料物理特性研究的基本理论、基本知识和基本技能，在分析问题和解决问题的能力上有所提高。为了完成和达到《生物物料学》的教学任务和要求，在整个教学环节中，要特别注意培养学生的独立思考能力。教学内容宜以物料物理特性研究为主线，加强机械学、热学、电学、光学、声学等等基本理论和基本知识的教学与训练。使学生能牢固和熟练地掌握和应用它们。只有掌握足够的基础知识，才能学好理论。必须重视基本技能和实验技术的训练。二、相关教学环节安排为实现大纲的基本要求，创造条件采用CAI、多媒体等先进教学手段。本大纲的部分内容可以而且应该由学生通过自学、作业和练习等方法获得。课堂讲授以解决重点、难点及关键问题为主，着重调动学生的思维积极性，指导学生自学。改革注入式教学方法和教师教什么学生学什么被动式学习方法。课程中大力开展讨论式、实验性和研究性教学，让学生积极参与到课堂中，发挥学生的主动性、创造性和实践动手能力，锻炼学生的思维能力和表达能力。三、课程主要内容及学时分配主要讲解生物物料的基本参数、固体生物物料的流变特性、液体生物物料的流变特性、生物物料的流体动力学特性、生物物料的热学特性、光学特性、电学特性及核磁共振、X射线等响应特性。教学内容学时绪论总述1第一章基本物理参数3第二章固体生物物料的流变特性6第三章液体生物物料的流动特性3第四章生物物料的流动力学特性3第五章散粒物料的力学特性2第六章生物物料的热学特性4第七章生物物料的光学特性4第八章生物物料的电学特性43第九章生物物料的核磁共振，X射线等反应特性4四、教材及主要参考书教材：《农业物料学》周祖锷北京生物出版社1994年5月主要参考书：1.《PhysicalPropetiesofBio-Materials》2.《农业物料学》周祖锷北京生物出版社1994年5月五、有关说明《生物物料学》是生物系统工程专业的一门专业基础平台课程，教学对象是高年级学生。因此，采取的教学方法应该是以课堂教学为主，课外的习题作业、辅导答疑为副。在整个教学环节中，每位主讲教师要吃透大纲精神。对本课程各章节的难点、重点、疑点，教研室要认真组织全体教师进行交流讨论，使每位任课教师心中有数；同时，每位教师特别是任课教师要始终贯彻教书育人、为人师表、严格要求学生。充分发挥教师和学生在教学过程中的积极性，以保证教学的顺利完成。课堂教学，采用理论讲解与图表、模型等直观教学方法，并尽可能应用电化教学、CAI（计算机辅助教学）及多媒体等先进教学手段。在教授中，讲透重点、难点、辨清疑点；从分析结构入手，讲述液生物物料物理特性研究原理。讲授时，要做到概念清楚、重点突出、逻辑推理严谨、有启发性；语言要求生动、精炼；板书要求清楚、条理分明、努力提高课堂教学质量。在实验教学中，以启发学生思考、培养动手能力为目的。实验中应以学生能动手操纵作为中心，注重学生对生物物料物理特性研究的实验设计、实践操作能力培养。注意设计与讨论、操作与讨论、结果分析与讨论等相结合。课外，通过布置一些精选的习题，启发学生思考，以达到巩固知识、培养学生分析问题和解决问题的能力。教师要认真及时批改作业，通过作业的反馈可以不断地改进教学方法；并可以通过习题课、辅导答疑，及时地解决学生中的疑难问题。教研室要不断鼓励教师积极进行教学改革，不断提高《生物物料学》课程的教学质量。4绪论（共3页，第1页）现代农业中已日益普遍地采用机械学、热学、电学、光学、甚至声学等各种找术和方怯来处理和加工农产品（包括植物和动物物料）。为使这些新技术能在生产中得到较好的应用，必须充分地掌握农业物料的各种重要的物理参数和物理性质。农业物科学或农业物料物理特性（PhysicalPropertiesofAgriculturalMaterrials），即是由农业工程发展的需要在近几十年形成的一门新学科。它是运用近代物理学理伦、技木和方法，研究农业物料的物理性质以及各个物理因子和生物物料相互作用的一门边缘学科。它是物理学、工程学科和生物学各学科之间的桥粱，也是农业工程学科的基础。一、什么是农业物料？农业物料是指农业生产和加工的对象。它包括植物和动物物料，以及以它们为原料加工的半成品和成品。例如，谷物、种子、水果、蔬莱、烟叶、茶叶、饲料、鸡蛋、各种家禽及其它肉制品、植物油、奶油、番茄酱等等。谷物种子水果蔬菜茶叶鸡蛋植物油饲料农产品加工、农业生产作业中的各个环节，无不涉及农业物料的工程性质，由于农业物料多是生命体，有许多传统工程材料所没有的特殊性质，包括物理机械性质、热学特性、电磁辐特性质等。这些性质都和生物体的生命过程密切相关，涉及到它们的密度、变形及破坏，并涉及农产品的产量和质量，因而农业物料的工程性质已成为所有农业工程设计及研究人员必须了解的基础知识。5二、农业物料学主要研究内容农业物料学主要研究农业物料的基本物理参数、固体农业物料的流变特性、液体农业物料的流动特性、流体动力学特性以及热学、光学和电学特性等。由于农业物料种类繁杂、形态差异极大，因此本书主要研究农业物料各种带有共性的物理特性，为各种机械和系统，如生产、处理、贮藏、加工、包装、运输和质量检验等提供合理和可靠的设计依据。1.农业物料基本物理参数包括物料的形状、尺寸、体积、密度、孔除率、表面积、比表面积和含水量等，它们在机械设计及产品分析中是不可缺少的最基本的原始数据和重要的工程参数。例如，在分析水果冷却曲线，用气力法从种予或谷粒中分离夹杂物；用气流或水流输送农业物料时都必须首先了解物料的形状和尺寸。在干草的干燥和贮存、青贮的机械压缩；颗粒饲料和草饼的稳定性研究以及物料成熟度和质量分析中均需要测定物料的密度。在气流和热流研究中常常要用到孔隙率、比表面积等数据。在研究植物一土壤一水的相互关系；确定农药和杀菌剂应用次数及残留物消除等都要了解物料的表面积。水果包装分级粮食气流输送喷洒农药2.农业物料的流变特性农业物料的流变特性是研究物料在外力作用下产生的变形和流动。对于农业物料大多是粘弹性体，所以往往要研究外力、形变和时间三者之间的关系。谷物和种子在仓中的强度、水果和蔬莱在长距离运输时受静态和动态的作用力而可能造成的破坏等都是与物料流变特性有关。通过对物料流变特性的研究，可为各种机械和设备的设计提供有用的设什依据，并可大大地减少物料的机械损伤和提高最后产品的质量。农业物料流变特性又为农产品的质地优劣评定提供了科学的方法，克服了主观评定中下可避兔的片面性和主观性。3.农业物料的流体动力学特性农产品的装运和加工过程中经常将空气或水作为一种运载体，用以输送产品或分离夹杂物。用水流输送水果和蔬菜等一类农产品在生产中已得到日益广泛的应用，这是一种比较经济、对物料损伤较小的方法。农业物料流体动力学特性是研究物料和流体的相互作用；物料在流体中运动时的阻力和速度以及提供农产品流体动力学特性的基本数据。6分选水力输送4.散粒物料的力学特性在农业机械、加工机械和其它设备中经常需要处理各种散粒物料。所谓散粒物料是指由大量的尺寸大致相同的颗粒所组成的群体，如谷粒、颗粒饲料等。它们的力学牲质如休止角、内摩擦角、最大稳定角以及在各种材料表面上的动、静摩擦系数等将直接影响响这些设备的设计参数。因此，为了保怔这些设备（如谷仓）有足够的强度并能使物料在这些设备中畅快地流动，必须了解物料的这些基本的力学性质。。粮仓茶叶平捻机拣梗机小麦螺旋输送机7二、农业物料学主要研究内容5.农业物料的热学特性以植物和动物为原料的许多农产品，在销售到消费者之前将经受到各种类型的热加工。热加工包括加热、冷却、干燥和冷冻等。产品温度改变在很大程度上是与它本身的热特性有关。对苜蓿和红三叶草等硬种子可应用适当的热处理使其变得容易渗透水分。将这些种子在温度为104℃下加热4分钟，可使硬种子数量大约减少了80%。在对种子进行热处理时，它的比热是一个重要的物理特性。如果热处理时超出了种子允许的极限温度和加热时间则它的发芽率和生长力将会受到影响。对小麦，玉米和豆类作物种子进行热处理是促进其发芽的一种很有效的方法。采用非传导加热可使棉籽中的酶完全失去活性，防止了种子在贮藏期间的损坏。葱头在40℃到60℃温度范围内贮藏时可使引起腐烂的霉菌消失。桃子的热处理可延迟其腐烂时间和延长其保质期。引起水果和蔬菜变质的酶和微生物的作用可以采用低温办法加以控制。例如，新鲜产品在32℃时如果只要1小时就产生变质的活，则产生同样变质在10℃时需要1天，在0℃时需要1星期。谷物洪干塔谷物干燥机冷冻草莓6．农业物料的光学特性目前，农产品的光的透过和反射特性已用于电子分选和分级、成熟度和表面颜色测定以及研究水果和蔬菜的内部特性。以物料的光透过特性和光吸收为基础的方法已用于测定番茄内部颜色、小麦黑穗含量、水果成熟度、马铃薯内都变色、鸡蛋内的血点、苹果的水核、种子含水量、樱桃的汤伤和玉米损伤等。光的反射特性可用于分级和分离夹杂物例如，马铃薯和土块的反射能力差异较大，因此可根据光反射率的不同将两种物料分开。对柠檬的光反射率曲线研究表明，在水果成熟的各个时期其反射率有不同的变化，已根据这个特性研制了颜色分选机。电子分选机水果测试贴纸标签变色分辨水果成熟度8大小颜色及形状分选7.农业物料的电学特性农产品的一些电特性如电导性、电阻、电容和介电常数等在加工过程中是重要的物理特性。电阻和电导已被广泛地用于表征生物组织的导电性，也反映了生物体生命力的大小。电导和电容已用于谷物含水量测定。电阻法已用于精确地测定棉花纤维长度分布以及羊毛的细密度。生物物料的电阻值可用来检验诸如果实成熟度；选用抗寒性嫁接材料等。桃子的阻抗随成熟度提高而增大，在完全成熟时果肉阻抗达最大值，随之又逐惭下降。利用该特性研制的桃子成熟度检测仪要比用果实大小和色泽方法检验不仅更可靠，而且可为果实的收获和贮藏设备直接提供成熟度的定量指标。静电分离原理已用于分离和精选种子，特别是对于小粒种子有明显效果。静电分离可选出高电阻、高电容的种子，而这佯的种子一般都是成熟度高，生命力强的种子。试验表明，静电分离基本上是与种子尺寸、形状、质量和表面状况有关。如果用尺寸、形状、表面状况等特性无法将种子和夹杂物分离时，则可考虑采用静电方法来分离。糖度计核子密度含水量测定仪油水分离器此外，利用红外线的热效应和穿透能力，通过散发水分而获得均匀干燥；进行杀虫灭菌快速地测定谷物、饲料、烟草等农产品的品质和主要成分；利用远红外探测器可探测森林灾情、作物长势和预报病虫害等。紫外辐射具有光激发光现象，根据种子细胞和化学成不同，在紫外光照射下发不同色的光，检验外观相同的种子纯度，剔除受霉菌（包括五米黄曲霉素）感染的谷物，紫外辐射对动、植物有较强的生化反应强度适当的照射能促使维生素D的转化，强度过大只用于对禽畜舍消毒和饮用水杀菌。微波的反射、折射、散射和吸收作用比短波显著，利用其辐射的热特性和生物效应，有利于干燥，表现为透入物料内都的能量会被物料吸收而转化为热能。