汽车中的物理知识以及对教学的思考

摘要：随着经济的发展和人们生活水平的提高，汽车已经越来越多地进入广大家庭之中。而观察汽车，我们不难发现，汽车的每一部分都蕴含着丰富的物理知识，在本文中我们将对汽车中的物理知识进行分析。

关键词：汽车 安全 物理

中图分类号：G712 文献标识码：C DOI：10.3969/j.issn.1672-8181.2014.06.026

物理学在汽车中的应用涉及到材料力学、声学、光、电等，汽车的每一个部件，甚至现在汽车中的好多智能系统都和物理有关，比如ASR牵引力控制系统、ABS防抱死制动系统、ASR加速防滑控制系统、BA刹车辅助、BAS制动辅助系统、CBC制动力分配系统、空气悬挂、TRC牵引力控制系统、TCS牵引力控制系统及胎压监测装置等，都是物理学在汽车中的应用。本文将从以下几个方面讨论汽车中的物理知识。

1 汽车相关物理知识

1.1 声学

禁止鸣笛、在汽车声源处安装汽车消声器目的都是在减弱汽车噪声；为减轻车辆行驶时的噪声对道旁居民的影响，在道旁设置屏障或植树――可以在传播过程中减弱噪声；喇叭发声：电能――机械能；汽车排气光上消声器。

1.2 光学

为了聚光在汽车车前灯装凹面镜；为了发散光以扩大视野车后视镜装凸面镜；为了成像车内观后镜装平面镜；为了使车内物体所成的像呈在前上方可以使小型车挡风玻璃呈倾斜状，不干扰司机视线。茶色玻璃能反射一部分光，还会吸收一部分光，这样透进车内的光线较弱。要看清乘客的面孔，必须要从面孔反射足够强的光透射到玻璃外面。由于车内光线较弱，没有足够的光透射出来，所以很难看清乘客的面孔；除大型客车外，绝大多数汽车的前窗都是倾斜的，当汽车的前窗玻璃倾斜时，车内乘客经玻璃反射成的像在车的前上方，而路上的行人是不可能出现在上方的空中的，这样就将车内乘客的像与路上行人分离开来，司机就不会出现错觉。大型客车较大，前窗离地面要比小汽车高得多，即使前窗竖直装，像是与窗同高的，而路上的行人不可能出现在这个高度，所以司机也不会将乘客在窗外的像与路上的行人相混淆。

1.3 信息的传递

导航仪利用电磁波进行信息的传递。倒车雷达可以利用电磁波反射，测算与车后事物的距离。

1.4 物质形态变化

当车内外温差较大，车内温度高于车外时，会在挡风玻璃内表面出现水雾，这是室内空气中的水蒸气遇到冷玻璃液化形成的，所以要想方设法提高挡风玻璃的温度；当汽车尾气出现白烟是汽车尾气中的水蒸气遇到冷空气冷凝现象形成的水雾；空调制冷时，冷媒从液态转化成气态进行吸热降温。

1.5 动能变化

汽车在行驶过程中需要不停的变换速度，爬坡时要需要变换低速，由 P=Fv可以得出当功率一定时，速度降低，则可牵引力增大；从物理学来说运动的汽车具有一定动能，超载、超速车辆动能大。刹车系统进行车辆制动时，会使刹车片和制动盘温度升高，摩擦生热。

1.6 机械性能

为了增大轮胎与地面的摩擦力，轮胎刻有粗糙花纹；在运行中的汽车中为了减小摩擦力，使轴承从滚动变成滑动；在轴承的转动过程中使用油以减少摩擦；方向盘、刮水器、制动器、调速杆、开窗摇柄、液压千斤顶都是杠杆的应用。

1.7 热能变化

利用水的比热容大来冷却发动机；汽油机或柴油机均属热机。在发动机中热能转化为机械能，燃烧的高温燃气推动活塞运动。

1.8 压力

通过汽车轮胎的面积，使用柔软的座椅等都是通过增大受力面积以减小压强；当汽车出现超载现象时，车辆对地面的压力增大，对路面的破坏性更大；与此同时，使车对地面的压力变大来增大摩擦力，汽车在高速行驶过程中由于车尾卷扬的尘土和空气流速大压强小使车尾形成了一个低气压区，而采用气流偏导器使车上方比下方的流速小些，才形成向下的压差。

1.9 运动和力

在运动学方面，任何物体的运动，选择的参照物不同，人们的感觉和视野不同，当乘客以汽车为参照物时乘客是静止的，以地面为参照物时乘客是运动的；乘客在汽车加速时后仰或减速时前倾或拐弯时反方向倾倒都是由于乘客具有惯性；为了减小这些惯性力，采用了大量的安全措施，比如：安全带、安全气囊等可以减少紧急刹车或事故时由于惯性带来的伤害；ABS-汽车防抱死刹车系统可以避免紧急刹车时汽车由于惯性所造成的甩尾事故的出现；同时汽车的车身设计成流线型可有效减小汽车行驶时的阻力。汽车在平直路面匀速前进时驱动力与阻力平衡，重力与支持力平衡。司机通过方向盘的操作可以改变车的运动形态，通过这一现象，我们可以认为力可以改变物体的运动状态。

1.10 能源与可持续发展

节能减排的举措等。安装三元催化装置，减少尾气中有毒气体的含量。

2 汽车中的物理学应用

2.1 ABS制动系统

ABS全称是Anti-lock Brake System，即防抱死制动系统。任何带液压刹车的汽车可以安装。在制动液控制阀体内有一个橡胶气囊，当刹车踩下时，传递制动油压力，使制动液充斥到ABS的阀体中，此时气囊利用中间的空气隔层将压力返回，使车轮避开抱死点。当车轮即将到达下一个抱死点时，制动液的压力使得气囊重复作用，这样的过程在一秒钟内可作用60～120次，整个过程相当于不停地刹车、放松，即机械的“点刹”。因此，ABS系统，能避免在紧急刹车时后轮侧滑和方向失控，使车轮在刹车时不被抱死，从而加大摩擦系数，使刹车效率能够达到90%以上，同时还能减少刹车系统摩擦材料的消耗，延长刹车轮鼓、碟片和轮胎两倍的使用寿命。装有ABS的车辆在干柏油路、雨天、雪天等路面防滑性能分别可以达到80%―90%、30%―10%、15%―20%。

2.2 EPS随速助力转向

工作原理：当汽车正在转向时，转向传感器能够感应到方向盘传递过来的转动方向和转动力矩，从而把这些信号传递给电子控制单元ECU，电子控制单元ECU会根据拟转的方向等数据信号会向控制器发出动作指令，电动机就会依据ECU发出的指令，输出相应大小的转动力矩，从而产生了转向助力。此系统在不转向时不工作，处于休眠状态，到下一次转向时再次调用。正由于EPS的优良工作特性，使得车辆的方向感更好，俗话说方向不发飘，高速时更稳。而且由于它不是连续工作，降低了燃油消耗提高了经济性。

2.3 EBD电子制动系统

EBD是一个辅助系统，是为了配合ABS提高稳定性、提高制动效能，主要原理是因为根据汽车制动时产生轴荷转移的不同，而自动调节前、后轴的制动力分配比例。汽车在制动时，由于路面等因素四只轮胎的摩擦系数往往不一样。比如，有时左前轮和右后轮附着在湿滑路上，而右前轮和左后轮却附着在干燥的水泥路面，而这种情况就会导致在汽车制动时四只轮子与地面的摩擦系数不一样，容易造成制动打滑、倾斜，甚至是车辆侧翻等事故。EBD利用高速计算机在汽车制动的瞬间，分别对四只轮胎的转速和阻力进行计算，得出不同的摩擦系数，使四只轮胎的制动装置根据不同的情况用不同的方式和力量制动，并在运动中不断高速调整，从而保证车辆的平稳、安全。

3 对汽车中的物理知识教学思考

3.1 注重实物教学

物理学作为一门应用很强的科学体系，在生活中随处可见，进行汽车中的物理知识教学时，更应该以汽车为基础，以汽车中的各种物理学应用为例，甚至可以以实物或者近距离的观察的方式，生动地进行物理学知识的讲解。这样可以脱离原来书本上一些比较生硬的案例，既能使学生对物理学知识进行掌握，又能以汽车吸引学生更大的学习兴趣，增加了知识的实用性。

3.2 注重教师汽车知识的培养

在进行汽车在物理学中的应用时，大多数老师都是原来进行物理教学的，往往这样的老师会延续理论物理的教学方式。这样就会使汽车物理这样一门很直观的物理课变成与传统教学毫无区别的教学方式。所以，传统物理老师如果要进行汽车物理教学时，应当先进行汽车构造是了解和学习，这样才能熟练掌握汽车构造以及运行过程中涉及到哪些物理知识，这样才能在课堂上灵活地进行实物举例和讲解，增加课堂的生动和吸引。

3.3 大胆转变课堂模式

在职业教育中大力推行的一体化教学，改变了传统的理论与实践相分离的教学状况，让学生在做中学、学中做，很大程度提高了学生的学习积极性和学习效果。同样，汽车物理的教学完全可以采取这样的方式，将古板的课堂教学带到汽车实验室，以汽车运行中各种状况来模拟物理实验。灯光调整可以进行光学教育，制动可以进行摩擦力和能量转换的教学，启动过程可以掩饰能量转化等。

3.4 教学手段多种多样

现在的教学条件已经有了很大的提升。好多学校已经具备了多媒体教学的条件。所以在教学过程中，完全可以利用多媒体进行汽车物理教学，PPT、图片展示、动画展示等教学手段来展示一些形象抽象或者原理较为复杂的物理学应用部件，如电磁阀等。

作者简介：闫学文（1968-），大学本科，讲师，研究方向为汽车应用与维修，平凉机电工程学院，甘肃平凉 743400