一輛車竟然設計出這麼多物理的可能！寒假實踐就這麼玩
每屆學生都問我這麼一個問題：「老師，物理學好了，除了考試還有什麼用？」
如果就簡單回答說物理非常「實用」，既沒有實例，也沒有說服力，很難讓學生信服。
何不索性把「實用」分解開來，加入到教材的每一章節中？這樣，非但不會再有類似的問題，還可以鞏固所學的知識。一舉兩得，何樂而不為？
不過，找哪個主題切入呢？
我從小就對汽車情有獨鍾，也曾經在上海賽車場上飛馳過，理論和操作都算比較熟悉。那為什麼不以「車」作為主題，給學生展示物理知識在生活中的用處？就這麼定了——車！
一輛「車」會有哪些物理知識呢？其實還真不少。
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一輛車的「聲音」，你都知道嗎？
駐車雷達竟用「聲音」設計
駐車雷達感測器
在講完聲這一章以後，第一個給學生們補充的應用知識就是駐車雷達。
這是倒車時或泊車時的安全輔助裝置，一般分為前雷達和後雷達，由超聲波感測器（俗稱探頭）、控制器和顯示器（或蜂鳴器）等部分組成，以聲音或者更為直觀的顯示告知駕駛員周圍障礙物的情況。
駐車雷達的顯示屏
倒車雷達的完整工作順序是這樣的：先感測器朝某一個方向發射出超聲波信號，同時開始進行計時，當超聲波通過空氣進行傳播遇到障礙物時，就會立即返射回來，接收器在收到反射波的時刻就立即停止計時。
已知在常溫下空氣中超聲波的傳播速度v=340米/秒，計時器通過記錄時間t，就可以測算出從發射點到障礙物之間的距離長度s，即：s=1/2vt。
駐車雷達的原理圖
超聲波的能量消耗較緩慢，在介質中傳播的距離比較遠，穿透性強，測距的方法簡單，成本低。但是，它測量距離也有一定的局限性。
比如易受天氣情況的影響；當汽車高速行駛時，誤差較大；超聲波散射角大，方向性較差，在測量較遠距離的目標時，其回波信號會比較的弱，影響測量精度。
在掌握這些原理之後，我讓學生回家請父母幫忙實驗了一下：讓父母將車子發動並推入空檔停止，學生從車的各個方向逐漸靠近，並記錄下駐車雷達提示音轉換時的不同距離，以及不同角度雷達的誤差大小。
他們很興奮地進行嘗試，仔細記錄了各種數據，有些同學還用不同高度、不同形狀的物體，運用控制變數法進行實驗，最終竟然找出了自家車輛雷達的若干個盲區。
汽車如何削弱噪音？
雜訊強弱也是衡量汽車優劣的一個重要指標。所以，「聲」這一章的戶外物理課，我給學生實地示意在汽車的引擎蓋、乘坐區域等地方，可通過哪些手段來減少噪音。
我在給同學們講解引擎蓋內部降噪手段
一般汽車的噪音會影響兩類人，一類是車外行人或居民，另一類是車內的乘員。
對於前者，汽車廠商一般都會在兩處地方進行削弱噪音的處理，一個是引擎蓋內部的隔音，把引擎的聲音盡量多地隔絕在艙內，另一個就是在排氣管處。
觀察過程中，學生們自然地就理解到：表面鬆軟多孔的物體吸收聲音的能力強，表面堅硬光滑的物體反射聲音的能力強。
除了車外因素，還有什麼因素會影響車內噪音呢？我們邀請專業人士進行了實地測量，發現行車速度會影響車內噪音。
車內測量噪音及其數據
「行車速度是如何影響的呢？」學生問到。
傳授理論知識的好時機到了。車內噪音的產生，原因很複雜，大致可以分為：
1.發動機噪音
車輛噪音，隨著發動機轉速的不同而不同（主要通過：前葉子板、引擎蓋、擋火牆、排氣管產生和傳遞）。
2.路噪
路噪是車輛高速行駛的時候風切入形成噪音及行駛帶動底盤震動產生的，還有路上沙石衝擊車底盤也會產生噪音，這是路噪的主要來源（主要通過：四車門、後備箱、前葉子板、前輪弧產生和傳遞）。
3.胎噪
胎噪是車輛在高速行駛時，輪胎與路面磨擦所產生的，視路況車況來決定胎噪大小，路況越差胎噪越大，另外柏油路面與混泥土路面所產生的胎躁有很大區別（主要通過：車門、後備箱、前葉子板、前輪弧產生和傳遞）。
4.風噪
風噪是指汽車在高速行駛的過程中迎面而來的風的壓力已超過車門的密封阻力進入車內而產生的，行駛速度越快，風噪越大（主要通過：四門密封間隙、包括整體薄鋼板產生和傳遞）。
5.共鳴噪和其他
車體本身就像是一個箱體，而聲音本身就有折射和重疊的性質，當聲音傳入車內時，如沒有吸音和隔音材料來吸收和阻隔，噪音就會不斷折射和重疊，形成的共鳴聲（主要通過：噪音進入車內，疊加、反射產生）。
而這些類型的車內雜訊，基本上都隨著車速的增加而加劇。
有了理論知識和實地觀察的基礎，那一周我就布置了要求學生消化運用的家庭作業——每人提出一種減小車內或車外噪音的方法，並附上檢測其可行性的實驗設計、數據記錄等報告。
這項作業的設計既培養了同學們科學探究的良好習慣與方法，也讓他們能夠學以致用，鞏固已學知識。
2
捕捉光的軌跡
「光」是課本第二章的學習內容。在學習了光的直線傳播、光的反射/折射和看不見的光之後，我再次帶學生來到了車旁，直觀感受、探究一輛車的光的原理。
後視鏡的盲區在哪裡？
後視鏡幫助駕駛者看清側後方的情況。不過它能把車身周圍所有的情況全都展現出來嗎？
帶著這個問題，同學們開始了新的實驗。他們請我坐在車內，把兩邊後視鏡調節到合適的位置，然後前後左右移動，並記下我看不見他們的各個位置，並在地面做好標記。
圍繞車身後部180°的位置全部測量完成後，將地面的標記與後視鏡的位置用直線連起來，並測量出後視鏡盲區的角度。接著他們利用光的反射定律，畫出了盲區的示意圖，形狀大約如下圖所示：
後視鏡盲區示意圖
其中①號車和②號車是不會出現在後視鏡里的。這個結果讓他們大吃一驚，汽車兩邊後視鏡的盲區竟然如此之大！
震驚之餘，他們又提出了新的問題，汽車的盲區只有這些嗎？
他們自發地組團進行各種實驗和測量，並利用了家裡一切可用資源（包括父母的車，或者父母本人），取得了不少成果。例如，一組同學利用無人機進行了車身周圍360度的盲區測試，繪製出了汽車盲區俯視圖。
汽車盲區示意圖
研究完盲區分布問題，同學還沒有盡興，他們經過對數個品牌的不同車種進行研究後發現，不同廠商對此都有相應的改良措施。
比如有些品牌的原裝後視鏡片會分成里外兩塊區域，內側區域是一塊平面鏡，而外側區域是一塊凸面鏡。
這樣可視範圍更大，但缺點是凸面鏡成的像會略有變形，且看上去與物體間的距離會比實際距離略大，這對不熟練的駕駛者來說，會是一個安全隱患。
還有些車商則是利用電子設備輔助，比如在後視鏡上安裝一個感測器，如果有車輛進入後視鏡的盲區，感測器偵測到，會在後視鏡上亮起警告燈。而有些則直接在後視鏡上增加一個高清攝像頭，拍攝盲區的圖像。
最後，學生還根據英國著名的汽車雜誌《Car And Driver》提供的一種後視鏡的調整方法，進行了實地驗證以後，覺得非常可行，於是將這個方法推薦給其他的同學。
著名汽車雜誌《Car And Driver》提供的一種後視鏡的調整方法
這無疑是節成功的物理課。當學生把各組的成果匯總成一份厚厚的報告交給我時，我真是由衷地為他們感到高興。
學生報告
同時，這更是一堂受益終身的交通安全教育課。相信他們經過這段時間的學習，長大以後開車時，一定不會草率魯莽了。
小車燈，大講究
車燈作為車輛在夜間行駛時重要的照明工具，隨著時代的發展和科技的進步，大致可以按照發光原理分成四類：鹵素燈泡、氙氣大燈、LED和激光大燈。每一種裡面，都應用到了大量的光學知識。
1.鹵素燈泡
白熾燈里充入有鹵族元素的氣體，能有效提高鎢絲熔點和壽命。在相同功率下，鹵素燈泡的亮度是白熾燈的1.5倍，而壽命則是兩到三倍。
上圖可以觀察到，鹵素燈泡後面一般都會有一個凹面鏡，這是為什麼呢？
鹵素燈組的光路圖
因為燈泡可以近似地看作一個發光點，它發出的光束是向四面八方發散的，這對車輛的照明來說並不是一件好事。在燈泡後面加一個凹面鏡，可將燈泡射向後部的光線經過反射後變成平行光線輸出。這組平行光線我們稱之為有效光線，是真正照清前方道路的光線。
不過，絕大部分使用鹵素燈泡的車輛，只有百分之四十左右的光真正照亮了前方的道路。
在此基礎上，部分廠家想要進一步提高光線的利用率，就有如下兩種做法：
一是在燈泡前端加一面反射鏡，讓前方原本發散的光反射至後部的凹面鏡上，再經由凹面鏡反射成比較會聚的光線，增加照明的亮度。
另一個方法就是在燈泡前部增加一個凸透鏡。光路圖與下圖類似：
凸透鏡光路圖
同學們學習了這個內容以後，很容易就利用了如下圖的裝置模擬出了這類車燈的結構。
「鹵素燈組+透鏡」的光路圖
2.氙氣大燈組
這是在鹵素燈泡之後出現的一種改良型照明方式，又叫高強度放電式氣體燈（HID）。
它的發光原理是，在石英燈管內填充高壓惰性氣體氙氣和少量水銀、碳素化合物。在點亮的瞬間，通過鎮流器將車載十二伏的電壓提高到兩萬三千伏以上，高壓電流激發氙氣形成電弧發光。穩定後，只需要約八十五伏左右的電壓維持氙氣燈泡的正常亮度就可以了。
和鹵素燈泡相比，它照明效率要好。
氙氣燈泡的實物圖
車商實際生產，會選擇一種反射面更大的橢圓反射面與球形透鏡組合，組成氙氣大燈組，這樣有效光線率可達到約80%。
3.LED燈組
LED燈（發光二極體）由一個PN結組成，具有單嚮導電性，結構圖如下圖所示。當給它兩端加上正向電壓後，從P區（陽極）注入到N區（陰極）的空穴和由N區注入到P區的電子，在PN結附近數納米內分別於N區的電子和P區的空穴複合，產生自發輻射的熒光。
LED燈有如下幾個優點：節能環保；成本低，壽命長；亮度高；低電壓，安全；瞬間點亮；單個LED體積小。
不過LED燈對溫度十分敏感，需要特別加裝一個散熱裝置，如下圖所示。
LED燈組的結構圖
4.激光燈組
激光大燈的結構大致可分為四個裝置：激光光源、反射鏡、黃磷濾光鏡以及反射碗。藍色激光二極體發出光線，照射到反光鏡，經過反光鏡的反射，聚焦到黃磷濾光鏡，黃磷吸收了藍色激光的能量，產生白色光線，然後在反射碗上再反射一次，最終形成了聚焦照射的圓錐形白色光束照亮前方。
痛點一：激光是點光源，雖然射程遠但是射程寬度是技術瓶頸。
痛點二：造價高，目前只有一些高端豪華原車配套。
痛點三：售後市場實用性低。LED大燈在售後市場可以做到無損替換鹵素大燈來達到原配LED大燈的高清夜間行車效果。而要想升級激光大燈，卻是一個複雜的過程。而且激光大燈的激光性與照射強度，在原配高端車上，甚至還增加了智能車燈來保證會車時對面的行車安全。
學習了以上各種車燈組的相關知識後，同學們又開啟了「腦洞大開」模式。他們渴望知道各種不同車燈的優缺點對比。這時我也開啟了「散養」模式，任由他們自己組隊、自由選擇想要研究的主題和內容，自行完成課後的開放式作業。
一個星期以後，同學們都上交了非常棒的作業。有一組通過收集他人做的實驗和採集的數據，同學們得出了氙氣燈組和鹵素燈組的優劣勢。
學生研究結果
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對於運動和力的關係
切身體驗是最好的教學
輪胎上的力學
車能往前走，是因為摩擦力，而汽車上最重要的摩擦力非輪胎的抓地力莫屬。這時，不同花紋、材料和結構對於輪胎摩擦力的影響學習就很有必要。
這節課，我請到了專業人士來給同學們講解。
對於教材上提到「輪胎的花紋也是為了增大接觸面粗糙程度」這一知識點，老師卻給出了不一樣的答案。
他說平時灰塵和油漬都「潛伏」在路面的坑坑窪窪之內，輪胎接觸不到。可一到下雨天，灰塵和油漬都浮在水面上，在輪胎與地面之間形成一層容易打滑的「薄膜」。
輪胎上的花紋設計就是為了在車輛行進時，將路面與輪胎間的水向兩邊排走，使輪胎直接與路面接觸，減少打滑現象。
學生測量輪胎花紋的深度
賽道上的「速度與激情」
「在賽道上，當我右腳踩下油門時，會被緊緊地壓在座椅上，而左腳踩下剎車時，腦袋會感到猛烈的前沖。這就是慣性。在入彎之時，猛地扭轉方向盤，輪胎便與地面發出刺耳的「吱吱」聲，這是摩擦力在『作祟』。」
這是學生在卡丁車場親自體驗加速、減速、轉彎時，慣性帶給身體的感覺，要知道他們之前都表示「慣性」知識晦澀難懂，這一下子印象深刻。
學生駕駛卡丁車
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當然，一輛車的物理遠遠沒有結束
「車」主題拓展課程內容遠遠還沒有結束。到了初三，已經積累了諸如力、熱、光等物理知識，在學完熱這一章以後，我們請到了寶馬的工程師，講解熱學在汽車上的應用——引擎怎麼運作等等。
第二學期有能量轉化的教學。藉此讓他們製作太陽能動力車，既感受了不同種能量相互轉化的神奇，又提高了動手能力。
此後，還進行了別開生面的太陽能車競賽，獲勝的同學固然興奮，失敗的同學也不氣餒，事後總結反思，嘗試提高車子的整體性能。
後來，我們學校的賽車隊成立了！當同學們將自己設計的賽車3D列印出來，並去參加一年一度的FIS比賽的時候，學生們臉上滿滿的成就感。
我想，比賽得什麼獎是在其次，關鍵是他們知道了物理知識可以解決實際問題，物理真的「很實用」。
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