向芮岑

摘 要：交通工具的发展和变革离不开物理学的进步。其中汽车更是现代人们生活中最常用到的交通工具，汽车中用到了大量的物理学知识，但是人们对此了解甚少。本文以汽车为例，研究了物理学在交通工具中的应用。

关键词：透镜；摩擦力；发光原理；发动机

中图分类号：TP2；G63 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2018）13-0213-01

物理学作为一门自然科学，历史悠久。物理学的发展不仅推动了人们对自然的认识，更推动了物质文明的进步。从蒸汽机车到汽车再到现代社会的飞机和高铁，无不与物理学的进步息息相关。其中，汽车是人们生活中最常用到的交通工具，它极大的提高了出行效率，使生活更加便利。汽車中用到了大量的物理学知识，本文主要以汽车为例，研究交通工具中用到的物理学。

1 汽车中的透镜和反射镜

汽车中的透镜和反射镜[1]主要存在于三个地方：车灯、后视镜和车窗。

车灯中的反光碗是一个凹反镜，车灯灯泡位于凹反镜的焦点附近。抛物面凹反镜可以将透过其焦点的光反射为平行光。球面镜严格而言不具有单一焦点，不能将透过其焦点的光反射为平行光，但若只考虑近轴光线，球面镜可近似为抛物面镜，再加上球面镜工艺简单，因此车灯中的反光碗大多为球面镜。车灯玻璃灯罩可以看作凹透镜和棱镜的组合：凹透镜可以将经反光碗反射形成的平行光发散以照亮更广阔的范围，棱镜的存在可以使车灯光线更加均匀柔和，同时棱镜将一部分光向上折射，以便照明路标。汽车的后视镜主要有内后视镜和外后视镜，内后视镜一般采用平面镜，外后视镜一般为凸反镜。相对于平面镜，凸反镜可以提供更加广阔的视野，更大程度的提高行车安全。

车窗玻璃多为双向镜，有时也称为单面透视玻璃。其本质为具有较高反射率的镜面，且两面的反射率和透射率等光学性质相同，但由于车内光亮度远低于车外的光亮度，故车外的人只能看见自己的影像而车内的人可以看见车外的状况。

2 汽车中的摩擦力

汽车的加减速、行驶和变向离不开摩擦力的作用。汽车受到的摩擦力包括静摩擦力、滚动摩擦力、空气阻力和滑动摩擦力。

汽车加减速时轮胎与地面间的静摩擦力将汽车的动力转化为汽车向前或向后行进的动能，静摩擦力在此过程中不做功，只起到能量转变的作用[2]。汽车在匀速行驶时不受静摩擦力，但是受到地面对轮胎的滚动摩擦阻力以及空气阻力。当汽车速度较低时，滚动摩擦力是汽车受到的主要阻力，当汽车速度过快比如赛车比赛时的速度，空气阻力将是主要阻力。刹车系统主要分为鼓式刹车和盘式刹车，其都是利用刹车系统产生的强大滑动摩擦力使汽车的动能转化为热能，进而通过轮胎与地面间的静摩擦力降低车速。若刹车时用力过猛，容易使轮胎抱死，这时轮胎与地面间的摩擦力由滚动摩擦和静摩擦力变为滑动摩擦力，而滑动摩擦力的方向与汽车速度方向相反，此时若地面不平整，轮胎不能提供足够的侧向力抵消汽车重力的侧向分力，从而发生侧滑。若前轮抱死，由于轮胎与地面间的静摩擦力消失，汽车将失去转向能力。ABS防抱死系统正是通过电子系统的控制，使得刹车时轮胎与地面间的静摩擦力一直保持在最大状态，同时车轮又不至于抱死，从而保证汽车的刹车系统的性能得到最大程度的发挥同时又保持转向能力。ABS防抱死系统能显著降低制动距离的另一个原因是汽车与地面间的最大静摩擦力大于滑动摩擦力。

很多学说被提出用于解释滑动摩擦力的来源。如啮合说认为滑动摩擦力是由于两物体接触面间粗糙不平造成的，当两物体有相对运动或相对运动趋势时，接触面的凸起部分相互碰撞，产生对运动的阻碍。有些学者认为滑动摩擦力起源于两物体接触面上的分子间内聚力，从这个观点而言，无论物体表面多么光滑，总会存在摩擦力作用。滚动摩擦力的来源则与滑动摩擦力来源不同。滚动摩擦力是由于两物体接触表面产生形变，从而支持力作用点前移而对物体的滚动产生的阻力矩作用。除此之外，汽车受到的摩擦力还包括空气阻力等，如何利用或者降低这些摩擦力是是设计汽车需认真考虑的问题。

3 汽车中的照明系统

汽车中的照明系统主要为车灯。车灯分为卤素灯、氙气灯和LED灯。

卤素灯是升级版的白炽灯，其通过加热灯丝发光。卤素灯的光谱非常接近同等温度的黑体辐射光谱，灯光偏黄，电光转化效率低，发热量高，但成本低，一般用于低端车型。在可见光波段，波长越长的光在大气中的穿透能力越强，另外人眼对黄绿光最为敏感。综合以上两个因素，对人眼而言，黄光是大气中穿透力最强的光。卤素灯的灯光含有大量黄光成分因而穿透性很强。卤素灯中的卤素可以使灯泡中因加热而挥发的钨重新凝结在灯丝上，提高灯泡的寿命。氙气灯没有灯丝，其在灯管中充入了大量的惰性气体，大部分为氙气。通电后，从阴极发射大量电子，电子在灯管中加速后与氙原子碰撞，使氙气电离，氙离子又在灯管中加速并相互碰撞，使氙离子的电子跃迁到高能级。当电子从高能级向低能级跃迁时放出一个光子，这就是氙气灯的发光原理。氙气灯的光谱与日光光谱很接近，有助于减缓夜间行车驾驶人的视觉疲劳。氙气灯也含有大量的黄光成分，穿透性较强。LED灯的存在历史最短，其发光原理较为复杂。LED灯的主要结构为pn结，通过p区电子与n区空穴结合并放出一个光子发光，放出的光子能量取决于该结合能。LED灯发出的光偏白，含有的黄光成分较少，穿透性差。由于LED灯直接将电能转化为光能，因此在三种类型的车灯中发热量最小。同时LED灯具有寿命长，可塑性强等特点，但工艺复杂，成本较高，一般用于高端车型。

4 汽车中的发动机

发动机是汽车的核心部件，从根本上决定了汽车的性能。最先在汽车中使用的发动机是外燃机。外燃机原理简单但体型笨重，不适合汽车这种小型化交通工具。蒸汽机是最常见的外燃机，一般用于铁道车辆和船舶等。为了寻找更适合汽车的发动机，人们发明了内燃机。内燃机因体积紧凑、热效率高、使用操作方便等特点，在短时间内就成为汽车发动机的主流。外燃机和内燃机的热能机械能转化过程都可以简化为可逆热力学循环过程[3]。简化了的循环过程可由热力学定律计算其能量转化效率，而后在模型中适当的加入不可逆因素的影响，可以模拟实际发动机的工作状态，这些模拟有助于指导发动机的研发。最近由于电动汽车的节能环保等特性，受到人们的广泛重视。电动汽车电机主要有直流电动机、交流三相感应电动机、永磁无刷直流电动机、开关磁阻电动机等。其中开关磁阻电动机具有结构简单、转速高、效率最高可达93%等优秀特点而被视为未来电动汽车发动机的主流。

5 结语

交通工具中的物理学知识广泛而深刻。通过研究与交通工具相关的物理学可以推动交通工具的变革与发展，如研究物体表面形状与流体阻力的关系可以减少阻力、提高速度，研究热能与机械能的转换可以提高发动机效率等。本文以汽车为例，研究了汽车中用到的透镜和反射镜、摩擦力、照明系统、发动机等相关的物理学内容，但是仍然有许多系统如变速箱、发动机的散热等未涉及，是下一步的研究内容。

参考文献

[1]朱子柏嘉.浅析汽车玻璃中的物理知识[J].教育观察月刊，2016，5（11）：95-96.

[2]肖瑶涵.分析地面对汽车车轮摩擦力[J].大科技，2017，（31）：328.

[3]俞小莉，元广杰.气动汽车发动机工作循环的理论分析[J].机械工程学报，2002， 38（9）：118-122.