一辆车竟然设计出这么多物理的可能！寒假实践就这么玩

每届学生都问我这么一个问题：“老师，物理学好了，除了考试还有什么用？”

如果就简单回答说物理非常“实用”，既没有实例，也没有说服力，很难让学生信服。

何不索性把“实用”分解开来，加入到教材的每一章节中？这样，非但不会再有类似的问题，还可以巩固所学的知识。一举两得，何乐而不为？

不过，找哪个主题切入呢？

我从小就对汽车情有独钟，也曾经在上海赛车场上飞驰过，理论和操作都算比较熟悉。那为什么不以“车”作为主题，给学生展示物理知识在生活中的用处？就这么定了——车！

一辆“车”会有哪些物理知识呢？其实还真不少。

1

一辆车的“声音”，你都知道吗？

驻车雷达竟用“声音”设计

驻车雷达传感器

在讲完声这一章以后，第一个给学生们补充的应用知识就是驻车雷达。

这是倒车时或泊车时的安全辅助装置，一般分为前雷达和后雷达，由超声波传感器（俗称探头）、控制器和显示器（或蜂鸣器）等部分组成，以声音或者更为直观的显示告知驾驶员周围障碍物的情况。

驻车雷达的显示屏

倒车雷达的完整工作顺序是这样的：先传感器朝某一个方向发射出超声波信号，同时开始进行计时，当超声波通过空气进行传播遇到障碍物时，就会立即返射回来，接收器在收到反射波的时刻就立即停止计时。

已知在常温下空气中超声波的传播速度v=340米/秒，计时器通过记录时间t，就可以测算出从发射点到障碍物之间的距离长度s，即：s=1/2vt。

驻车雷达的原理图

超声波的能量消耗较缓慢，在介质中传播的距离比较远，穿透性强，测距的方法简单，成本低。但是，它测量距离也有一定的局限性。

比如易受天气情况的影响；当汽车高速行驶时，误差较大；超声波散射角大，方向性较差，在测量较远距离的目标时，其回波信号会比较的弱，影响测量精度。

在掌握这些原理之后，我让学生回家请父母帮忙实验了一下：让父母将车子发动并推入空档停止，学生从车的各个方向逐渐靠近，并记录下驻车雷达提示音转换时的不同距离，以及不同角度雷达的误差大小。

他们很兴奋地进行尝试，仔细记录了各种数据，有些同学还用不同高度、不同形状的物体，运用控制变量法进行实验，最终竟然找出了自家车辆雷达的若干个盲区。

汽车如何削弱噪音？

噪声强弱也是衡量汽车优劣的一个重要指标。所以，“声”这一章的户外物理课，我给学生实地示意在汽车的引擎盖、乘坐区域等地方，可通过哪些手段来减少噪音。

我在给同学们讲解引擎盖内部降噪手段

一般汽车的噪音会影响两类人，一类是车外行人或居民，另一类是车内的乘员。

对于前者，汽车厂商一般都会在两处地方进行削弱噪音的处理，一个是引擎盖内部的隔音，把引擎的声音尽量多地隔绝在舱内，另一个就是在排气管处。

观察过程中，学生们自然地就理解到：表面松软多孔的物体吸收声音的能力强，表面坚硬光滑的物体反射声音的能力强。

除了车外因素，还有什么因素会影响车内噪音呢？我们邀请专业人士进行了实地测量，发现行车速度会影响车内噪音。

车内测量噪音及其数据

“行车速度是如何影响的呢？”学生问到。

传授理论知识的好时机到了。车内噪音的产生，原因很复杂，大致可以分为：

1.发动机噪音

车辆噪音，随着发动机转速的不同而不同（主要通过：前叶子板、引擎盖、挡火墙、排气管产生和传递）。

2.路噪

路噪是车辆高速行驶的时候风切入形成噪音及行驶带动底盘震动产生的，还有路上沙石冲击车底盘也会产生噪音，这是路噪的主要来源（主要通过：四车门、后备箱、前叶子板、前轮弧产生和传递）。

3.胎噪

胎噪是车辆在高速行驶时，轮胎与路面磨擦所产生的，视路况车况来决定胎噪大小，路况越差胎噪越大，另外柏油路面与混泥土路面所产生的胎躁有很大区别（主要通过：车门、后备箱、前叶子板、前轮弧产生和传递）。

4.风噪

风噪是指汽车在高速行驶的过程中迎面而来的风的压力已超过车门的密封阻力进入车内而产生的，行驶速度越快，风噪越大（主要通过：四门密封间隙、包括整体薄钢板产生和传递）。

5.共鸣噪和其他

车体本身就像是一个箱体，而声音本身就有折射和重叠的性质，当声音传入车内时，如没有吸音和隔音材料来吸收和阻隔，噪音就会不断折射和重叠，形成的共鸣声（主要通过：噪音进入车内，叠加、反射产生）。

而这些类型的车内噪声，基本上都随着车速的增加而加剧。

有了理论知识和实地观察的基础，那一周我就布置了要求学生消化运用的家庭作业——每人提出一种减小车内或车外噪音的方法，并附上检测其可行性的实验设计、数据记录等报告。

这项作业的设计既培养了同学们科学探究的良好习惯与方法，也让他们能够学以致用，巩固已学知识。

2

捕捉光的轨迹

“光”是课本第二章的学习内容。在学习了光的直线传播、光的反射/折射和看不见的光之后，我再次带学生来到了车旁，直观感受、探究一辆车的光的原理。

后视镜的盲区在哪里？

后视镜帮助驾驶者看清侧后方的情况。不过它能把车身周围所有的情况全都展现出来吗？

带着这个问题，同学们开始了新的实验。他们请我坐在车内，把两边后视镜调节到合适的位置，然后前后左右移动，并记下我看不见他们的各个位置，并在地面做好标记。

围绕车身后部180°的位置全部测量完成后，将地面的标记与后视镜的位置用直线连起来，并测量出后视镜盲区的角度。接着他们利用光的反射定律，画出了盲区的示意图，形状大约如下图所示：

后视镜盲区示意图

其中①号车和②号车是不会出现在后视镜里的。这个结果让他们大吃一惊，汽车两边后视镜的盲区竟然如此之大！

震惊之余，他们又提出了新的问题，汽车的盲区只有这些吗？

他们自发地组团进行各种实验和测量，并利用了家里一切可用资源（包括父母的车，或者父母本人），取得了不少成果。例如，一组同学利用无人机进行了车身周围360度的盲区测试，绘制出了汽车盲区俯视图。

汽车盲区示意图

研究完盲区分布问题，同学还没有尽兴，他们经过对数个品牌的不同车种进行研究后发现，不同厂商对此都有相应的改良措施。

比如有些品牌的原装后视镜片会分成里外两块区域，内侧区域是一块平面镜，而外侧区域是一块凸面镜。

这样可视范围更大，但缺点是凸面镜成的像会略有变形，且看上去与物体间的距离会比实际距离略大，这对不熟练的驾驶者来说，会是一个安全隐患。

还有些车商则是利用电子设备辅助，比如在后视镜上安装一个传感器，如果有车辆进入后视镜的盲区，传感器侦测到，会在后视镜上亮起警告灯。而有些则直接在后视镜上增加一个高清摄像头，拍摄盲区的图像。

最后，学生还根据英国著名的汽车杂志《Car And Driver》提供的一种后视镜的调整方法，进行了实地验证以后，觉得非常可行，于是将这个方法推荐给其他的同学。

著名汽车杂志《Car And Driver》提供的一种后视镜的调整方法

这无疑是节成功的物理课。当学生把各组的成果汇总成一份厚厚的报告交给我时，我真是由衷地为他们感到高兴。

学生报告

同时，这更是一堂受益终身的交通安全教育课。相信他们经过这段时间的学习，长大以后开车时，一定不会草率鲁莽了。

小车灯，大讲究

车灯作为车辆在夜间行驶时重要的照明工具，随着时代的发展和科技的进步，大致可以按照发光原理分成四类：卤素灯泡、氙气大灯、LED和激光大灯。每一种里面，都应用到了大量的光学知识。

1.卤素灯泡

白炽灯里充入有卤族元素的气体，能有效提高钨丝熔点和寿命。在相同功率下，卤素灯泡的亮度是白炽灯的1.5倍，而寿命则是两到三倍。

上图可以观察到，卤素灯泡后面一般都会有一个凹面镜，这是为什么呢？

卤素灯组的光路图

因为灯泡可以近似地看作一个发光点，它发出的光束是向四面八方发散的，这对车辆的照明来说并不是一件好事。在灯泡后面加一个凹面镜，可将灯泡射向后部的光线经过反射后变成平行光线输出。这组平行光线我们称之为有效光线，是真正照清前方道路的光线。

不过，绝大部分使用卤素灯泡的车辆，只有百分之四十左右的光真正照亮了前方的道路。

在此基础上，部分厂家想要进一步提高光线的利用率，就有如下两种做法：

一是在灯泡前端加一面反射镜，让前方原本发散的光反射至后部的凹面镜上，再经由凹面镜反射成比较会聚的光线，增加照明的亮度。

另一个方法就是在灯泡前部增加一个凸透镜。光路图与下图类似：

凸透镜光路图

同学们学习了这个内容以后，很容易就利用了如下图的装置模拟出了这类车灯的结构。

“卤素灯组+透镜”的光路图

2.氙气大灯组

这是在卤素灯泡之后出现的一种改良型照明方式，又叫高强度放电式气体灯（HID）。

它的发光原理是，在石英灯管内填充高压惰性气体氙气和少量水银、碳素化合物。在点亮的瞬间，通过镇流器将车载十二伏的电压提高到两万三千伏以上，高压电流激发氙气形成电弧发光。稳定后，只需要约八十五伏左右的电压维持氙气灯泡的正常亮度就可以了。

和卤素灯泡相比，它照明效率要好。

氙气灯泡的实物图

车商实际生产，会选择一种反射面更大的椭圆反射面与球形透镜组合，组成氙气大灯组，这样有效光线率可达到约80%。

3.LED灯组

LED灯（发光二极管）由一个PN结组成，具有单向导电性，结构图如下图所示。当给它两端加上正向电压后，从P区（阳极）注入到N区（阴极）的空穴和由N区注入到P区的电子，在PN结附近数纳米内分别于N区的电子和P区的空穴复合，产生自发辐射的荧光。

LED灯有如下几个优点：节能环保；成本低，寿命长；亮度高；低电压，安全；瞬间点亮；单个LED体积小。

不过LED灯对温度十分敏感，需要特别加装一个散热装置，如下图所示。

LED灯组的结构图

4.激光灯组

激光大灯的结构大致可分为四个装置：激光光源、反射镜、黄磷滤光镜以及反射碗。蓝色激光二极管发出光线，照射到反光镜，经过反光镜的反射，聚焦到黄磷滤光镜，黄磷吸收了蓝色激光的能量，产生白色光线，然后在反射碗上再反射一次，最终形成了聚焦照射的圆锥形白色光束照亮前方。

痛点一：激光是点光源，虽然射程远但是射程宽度是技术瓶颈。

痛点二：造价高，目前只有一些高端豪华原车配套。

痛点三：售后市场实用性低。LED大灯在售后市场可以做到无损替换卤素大灯来达到原配LED大灯的高清夜间行车效果。而要想升级激光大灯，却是一个复杂的过程。而且激光大灯的激光性与照射强度，在原配高端车上，甚至还增加了智能车灯来保证会车时对面的行车安全。

学习了以上各种车灯组的相关知识后，同学们又开启了“脑洞大开”模式。他们渴望知道各种不同车灯的优缺点对比。这时我也开启了“散养”模式，任由他们自己组队、自由选择想要研究的主题和内容，自行完成课后的开放式作业。

一个星期以后，同学们都上交了非常棒的作业。有一组通过收集他人做的实验和采集的数据，同学们得出了氙气灯组和卤素灯组的优劣势。

学生研究结果

3

对于运动和力的关系

切身体验是最好的教学

轮胎上的力学

车能往前走，是因为摩擦力，而汽车上最重要的摩擦力非轮胎的抓地力莫属。这时，不同花纹、材料和结构对于轮胎摩擦力的影响学习就很有必要。

这节课，我请到了专业人士来给同学们讲解。

对于教材上提到“轮胎的花纹也是为了增大接触面粗糙程度”这一知识点，老师却给出了不一样的答案。

他说平时灰尘和油渍都“潜伏”在路面的坑坑洼洼之内，轮胎接触不到。可一到下雨天，灰尘和油渍都浮在水面上，在轮胎与地面之间形成一层容易打滑的“薄膜”。

轮胎上的花纹设计就是为了在车辆行进时，将路面与轮胎间的水向两边排走，使轮胎直接与路面接触，减少打滑现象。

学生测量轮胎花纹的深度

赛道上的“速度与激情”

“在赛道上，当我右脚踩下油门时，会被紧紧地压在座椅上，而左脚踩下刹车时，脑袋会感到猛烈的前冲。这就是惯性。在入弯之时，猛地扭转方向盘，轮胎便与地面发出刺耳的“吱吱”声，这是摩擦力在‘作祟’。”

这是学生在卡丁车场亲自体验加速、减速、转弯时，惯性带给身体的感觉，要知道他们之前都表示“惯性”知识晦涩难懂，这一下子印象深刻。

学生驾驶卡丁车

4

当然，一辆车的物理远远没有结束

“车”主题拓展课程内容远远还没有结束。到了初三，已经积累了诸如力、热、光等物理知识，在学完热这一章以后，我们请到了宝马的工程师，讲解热学在汽车上的应用——引擎怎么运作等等。

第二学期有能量转化的教学。借此让他们制作太阳能动力车，既感受了不同种能量相互转化的神奇，又提高了动手能力。

此后，还进行了别开生面的太阳能车竞赛，获胜的同学固然兴奋，失败的同学也不气馁，事后总结反思，尝试提高车子的整体性能。

后来，我们学校的赛车队成立了！当同学们将自己设计的赛车3D打印出来，并去参加一年一度的FIS比赛的时候，学生们脸上满满的成就感。

我想，比赛得什么奖是在其次，关键是他们知道了物理知识可以解决实际问题，物理真的“很实用”。

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编辑丨田佩

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