一辆车，可以设计多少物理的可能？

一辆车的“声音”，你都知道吗？八年级物理课本第一章讲的是声音，汽车的制造就有很多与此相关的内容。

1.驻车雷达竟是利用“声音”设计的

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。
驻车雷达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。驻车雷达全称叫“倒车防撞雷达”，也叫“泊车辅助装置”，是汽车泊车或者倒车时的安全辅助装置，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。传感器如下图红色圈出的位置所示：




图：驻车雷达传感器

前雷达探头装在前保险杠上，探头以大约45度角辐射，上下左右搜寻目标。它最大的好处是能探索到那些低于保险杠而司机从车内难以看见的障碍物，并报警，如花坛、玩耍的小孩等。

不管是前雷达还是后雷达，它的优点是能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，解除了驾驶员泊车、倒车和起动车辆时前后左右探视所引起的困扰，并帮助驾驶员扫除了视野死角和视线模糊的缺陷，提高驾驶的安全性。
驻车雷达的原理是：在倒车时，雷达利用超声波原理，由装置在车尾保险杠上的探头发送超声波，遇到障碍物后声波被反射，然后通过从发出声波与接收到反射之间的时间差，计算出车体与障碍物间的实际距离。



图：驻车雷达的显示屏

这里就牵涉到超声波和回声的内容，顺便复习一下：超声波是频率超过2000赫兹的声波，它的特点是能量可以集中在某一方向上发射。而所谓回声，就是声音遇到障碍物反射回来的现象。

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：




图：驻车雷达的原理图1

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。但是它在速度很高情况下测量距离有一定的局限性，这是因为超声波的传输速度容易受天气情况的影响，在不同的天气情况下，超声波的传输速度不同，而且传播速度较慢，当汽车高速行驶时，使用超声波测距无法跟上汽车的车距实时变化，误差较大。另一方面，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。但是，在短距离测量中，超声波测距传感器具有非常大的优势。




图：驻车雷达的原理图2

在掌握这些原理之后，我让学生们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，同学自己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。同学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低、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。

最后，从这一个应用开始，拓展到时下非常流行的自动泊车和自动驾驶系统，这些也都离不开声音相关的物理知识。




图：自动驾驶的道路模拟图

2.汽车是如何削弱噪音的
在声音这一章里面还有提及噪声以及减少噪声的危害，汽车的制造也有很多与此相关的内容。我带学生们到汽车旁，给同学们讲述汽车的引擎盖、乘坐区域等地方，都是通过了哪些手段来减少噪音的。
首先，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（如下图红色圈出的部件）。对于这个方面的内容，可以给学生复习：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。



图：车辆的尾部排气管、
那么，有什么因素影响车内噪音呢？我们请来了专业人士进行实地测量。




图：车内测量噪音及其数据

结果发现，行车速度会影响车内噪音。
这是为什么呢？接下来就给同学们补充理论知识。
对于车内噪音的产生，原因复杂得多。它分为：

（1）发动机噪音
车辆发动机是噪音的一个来源，它的噪音产生是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。

然后，那一周的回家作业就是，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。这项作业的设计既能培养同学们科学探究的良好习惯与方法，也能让他们学以致用，巩固已学知识。
捕捉一辆车“光”的轨迹

光是第二章的课本内容，在学习了光的直线传播、光的反射和折射，以及看不见的光之后，我带学生们来到车旁，直观地感受并探究一辆车的光的原理。

1.后视镜的盲区在哪里

后视镜是车上一个重要部件，利用了平面镜成像的原理，帮助驾驶者看清侧后方的情况。




图：车辆的两侧后视镜

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，并在地下做好标记。围绕车身后部180°的位置全部测量完成后，将地下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。




图：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。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？

从此以后他们一发不可收拾地一头栽进了这个“坑”里。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。

其中有一组同学利用无人机在车顶上方俯拍，进行了车辆周围360度的盲区测试，通过打开车顶的全景天窗来确定驾驶者的头部位置，然后将这些数据综合起来，绘制出了一张汽车盲区俯视图，大致如下图所示。




图：汽车盲区示意图1

有一位学生，因为他的父亲有一天开车门时没有看到旁边很矮的一个石墩子，把门砸掉了一块漆，便想着选取另外的角度研究车子的盲区。他邀请了一群同学，利用相机拍照、尺规作图与实地测量相结合，利用了“光在同种均匀介质中沿直线传播”的原理，测量出了由于车身、车头和车门阻碍而形成的盲区，大致图像如下图所示。




图：汽车盲区示意图2

还有一组同学从如何减少盲区方面着手，研究了各个部分盲区的解决手段。首先，他们觉得车前、车后的盲区可以用倒车雷达和前后左右四个位置的全景摄像头覆盖，如下图所示。




图：全景摄像头的安装位置

驾驶者所看到的图像如下图所示。




图：全景摄像头的显示

其次，对于后视镜的盲区问题，同学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。




图：平面镜与凸面镜相结合的后视镜

凸面镜的光路图如下图所示，从图中可以看出，相对于平面镜来说，凸面镜的可视范围更大，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。




图：凸面镜的光路图

还有些车商则是利用电子设备辅助，比如说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，传感器侦测到以后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。




图：后视镜上的盲区警告灯




图：后视镜上的盲区摄像头

最后，他们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同学们。




图：著名汽车杂志《Car And Driver》提供的一种后视镜的调整方法

当同学们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。这不但是一系列的物理光学课程，还能培养同学们科学严谨的探究能力与习惯，更是一堂受益终身的交通安全教育。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。

2.小车灯，大讲究

车灯（如下图红圈位置所示）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。




图：车辆的灯组

这里面应用到了大量的光学知识，可以让我带着同学们一起学习。
（1）卤素灯泡




图：卤素灯组

所谓卤素灯泡就是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。在相同功率的情况下，卤素灯泡的亮度是白炽灯的1.5倍，而寿命是白炽灯的两到三倍。

由上面的图可以观察到，卤素灯泡后面一般都会有一个凹面镜，这是为什么呢？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，所以得在灯泡后面加一个凹面镜，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，如下图所示。




图：卤素灯组的光路图1

由上面的光路图可以看到，未经凹面镜反射的光线依旧以发散光的形式向外射出，这些发散光对道路的照片几乎没有帮助，我们称之为无效光线。
不同厂商的不同型号的车灯，由于设计不同，有效光线和无效光线的比例并不一样。




图：卤素灯组的光路图2

有效光线的多少直接与凹面镜的面积成正比，反射面越完整，光源的利用率就越大。不过即使车灯的设计十分合理，一般反射面也只有整个车灯的百分之四十左右，也就是说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，就有了如下两种做法：
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。同学们在光学这一章的凸透镜成像一节中，学过若将点光源放在凸透镜的焦点上，光线经过凸透镜的折射会变成一束平行于凸透镜主光轴的光线，光路图与下图类似。




图：凸透镜光路图

当在卤素灯泡前端加上一个凸透镜后，本来向前散射的光线会变成一束平行光，与后部反射出来的平行光一起照亮前路。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。




图：“卤素灯组+透镜”的光路图

（2）氙气大灯组
氙气大灯是在卤素灯泡之后出现的一种改良型照明方式。




图：氙气灯组

氙气灯泡又叫高强度放电式气体灯（HID），理听起来更玄妙一点：电弧放电。有看过电焊时那刺眼的白光吗？就是相似的原理。它的结构如下图所示。



图：氙气灯泡的结构图

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。
虽然氙气大灯组也是灯泡加反射面加透镜的基本结构，但是由于氙气灯泡的发光原理与使用灯丝的是卤素灯泡不一样，相同的功率下，照明效率要远高于卤素灯泡。

首先学生们观察了一下氙气大灯的灯泡，与卤素灯泡相比，氙气灯的发光体积和面积更大，光线更强却更发散（如下图红圈位置所示），不能简单地将它看作是一个点光源，而是一个有体积的球状光源，于是仅靠单纯的凹面镜反射就不够用了。




图：氙气灯泡的实物图

车商选择了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。
将氙气灯泡置于其中（如下图所示），经过这种反射面的反射，用红色表示的无效光线非常少，有效光线率可达到约百分之八十。




图：氙气灯组的光路图

既然氙气大灯的椭圆反射面利用光线已经如此高效了，为什么前端还要加一个球形透镜呢？
这就不得不讲一下氙气大灯的缺点之一：启动时间比卤素灯泡时间长。一般来说氙气大灯点亮后需要三四秒才能达到额定功率，发出足够亮的光。若想用远光闪一下来提醒其它车辆时，有了这延迟的几秒就很难做到了。所以很多车子的近光灯用氙气大灯，而远光灯仍沿用卤素灯泡。
当然，也有些车辆使用的是双透镜结构，如下图所示。




图：双透镜氙气灯组的结构图

有些车型在远近光整体式头灯里，要让氙灯有办法实现快速远光灯响应，这便是双透镜结构。这种结构中远光灯和近光灯用的是同一个氙气灯泡，当遮光板竖起时，会挡住在球形透镜上半部分折射的光线，只留下下半部分的光线，实现近光灯的功效，当遮光板降下时，更多的光线会在凸透镜的上半部分折射，实现远光灯的功效。

（3）LED灯组
LED灯有个特通俗的名字：发光二极管。现在越来越多的豪华品牌开始用LED做头灯光源，在倡导节能环保的大环境里，LED的推广总有种大势所趋的意思。




图：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：
A.节能环保。LED灯的能耗仅为卤素灯泡的二十分之一左右。
B.成本低，寿命长。有些知名厂商的LED灯寿命能达到100000小时，也就是说基本上车都到了开不动的时候，LED灯还在坚挺地亮着。
C.亮度高。亮度比卤素灯高出许多。
D.低电压，安全。LED这种电子元件只需要直流低压十二伏就可以点亮，再也不用像氙灯那样用到两万多伏的电压了。
E.瞬间点亮。不再需要像氙气灯泡那样的等待时间，随点随用。
F.单个LED体积小。这是设计师的最爱，可以任意将数个LED灯拼接成喜欢的样子。
讲了这么多关于LED灯的事情，那使用LED作为大灯的灯组结构呢？
其实它和前面所说的氙气大灯组的结构基本相同，都需要一个凹面镜和一个凸透镜来将光线会聚成平行光线。唯一的区别是因为LED灯对温度十分敏感，所以还需要特别加装一个散热装置，如下图所示。



图：LED灯组的结构图

（4）激光灯组
大多数人的印象中，如果被激光照射到，那么眼睛的视网膜一定会受损，如果路上对向来车的司机被激光大灯照到……这个后果简直不敢想象——不过这显然是误解了激光大灯的原理，激光仅仅是激光大灯的光源激发介质，并非是直接光源。

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。所以虽然由激光二极管射出了蓝色激光，最终生成的白色光线并非是真正意义上的激光。



图：激光灯组的结构图

由于极光二极管只能发出单色光，并不能直接发出白光，因此车用激光大灯结构和原理借鉴了LED灯组的普遍做法，大体是以“蓝色单色光+黄磷滤光镜”的组合，生成我们所见到的白光。虽然激光大灯的原理与LED大灯类似，但在功率相同的前提下，激光大灯的光强是LED的1.7倍，而且激光大灯的可以做得比LED大灯更小。
那么激光大灯与LED大灯的区别在哪里？
激光大灯的痛点一：激光是点光源，虽然射程远但是射程宽度技术瓶颈，就像用来测试月球与地球距离的激光探射器一样，“点对点”是激光的特点，然而对于“点对面”却是个难题。

从上面的激光灯组分解图可以看出，激光灯组的远光灯使用是离不开LED大灯的，因为激光灯组虽然照射距离远且亮度大，但照射范围较窄，需要LED大灯的远光宽度光线。

激光大灯的痛点二：造价高，目前只有一些高端豪华原车配套。
激光大灯的痛点三：激光大灯在售后市场的实用性。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，毕竟要加装激光大灯+LED大灯模块，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。比如：某品牌的激光大灯的开启条件被设定在40千米每小时以上才可以使用，此外遇到碰撞或等极端情况时激光大灯也会自动关闭。

总结：激光大灯作为第四代车灯，是对LED大灯照射距离、散热性能以及能耗上面的提升。同时也由于其本身对智能化及点对点光源的固有特点，决定了激光大灯将是智能LED大灯模块的重要组成部分，而不是一个绝对的替换关系。

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，学生们都上交了非常棒的作业。

举其中一组为例，他们研究的课题是：卤素灯组与氙气大灯组的使用特点对比。

他们选择这两种车灯做对比的理由很简单，因为市场上这两种车灯的使用数量和覆盖面最为广泛。通俗一点说就是，这两种灯使用的最多。
他们在“卤素灯泡+凹面镜”、“卤素灯泡+凹面镜+凸透镜”、“氙气灯泡+凹面镜”和“氙气灯泡+凹面镜+球形透镜”四个组合中，选择了“卤素灯泡+凹面镜”（以下简称卤素灯组）和“氙气灯泡+凹面镜+球形透镜” （以下简称氙气灯组）作为对比组。理由也很实在，首先几乎所有厂商的低配车辆在使用卤素灯的时候都不会加透镜，而几乎所有使用的氙气大灯组都包含球形透镜。

由于缺少足够的时间，测量设备和条件也没有，他们只能先从网上搜索一些他们所需要的资料（包括图片、相应的物理知识、数据等），并结合父母汽车晚上使用时观察到的现象，然后再归纳总结，得出两种不同车灯在使用时候存在以下一些区别（以下图是同学们在某汽车网上找到的对比图）。
（1）亮度：氙气灯组看起来更亮。

很多人认为氙气灯比卤素灯亮很多，为此某汽车网的工作人员将两台测试车在夜晚开启近光灯后进行对比。从效果上看两种光源在夜晚都非常显眼，并且氙气灯色温普遍偏高造成光线颜色偏白，因此在光线黑暗的夜晚白光的反差要比黄光的卤素灯大一些，看上去确实更亮更显眼。



图：卤素灯组与氙气灯组的比较1



图：卤素灯组与氙气灯组的比较2

另外，透镜有聚光的作用，因此氙气灯组要比卤素灯组显得亮不少。

（2）宽度：“氙气灯组更宽。
很多人认为氙灯比卤素灯要好的另一个因素还在于照射范围上，为此工作人员将两台测试车停放在面对墙面1米的位置，开启灯光后测量照射宽度。



图：卤素灯组与氙气灯组的比较3

从测量结果来看，氙气灯组的照射宽度的确要比卤素灯组照射的宽度广一些，视觉上看差距还是比较明显的。不过需要注意的是照射宽度和光源本身没有关系，主要取决于是否使用透镜，并且透镜带来了明显的分割切线，它可以更好的控制整体宽度，比普通反光板的效果更好。
（3）视线：两种组合各有利弊。
无论用什么样的灯光，大灯一定是为驾驶员更安全驾驶服务的，那么车内的视觉感受有什么区别么？工作人员回到驾驶员的视角，将两台测试车分别开启近光灯，此时氙气灯组的亮度明显高于卤素灯组的亮度。



图：卤素灯组与氙气灯组的比较4

氙气灯组聚光后投射在地面的效果来看，甚至地面上的沥青颗粒都可以被明显观察到，然而卤素灯组这方面恐怕就要弱一些了，显然大家认为的换了氙灯更亮的说法没有任何问题。
也有一个弊端，就是氙气灯组的亮度分布不够均匀，透镜可以保证中间区域很亮，但两侧则比较暗，很多区域虽然能扫到一些光线，不具备安全观察的条件。然而卤素灯组则与它恰恰相反，没有透镜帮助也许亮的地方没有氙气灯组那么亮，其他区域亮度相对均匀，不会出现明显的视觉衰减区。



图：卤素灯组与氙气灯组的比较5

（4）远光灯的差异：氙灯受空气质量影响较大
远光灯的效果与近光灯的情况类似，氙气灯组的照射效果明显优于卤素灯组，无论是从覆盖面积还是亮度都是如此。



图：卤素灯组与氙气灯组的比较6

因此在漆黑的夜晚，开启氙气灯组的远光效果肯定是最佳选择，但这也是有条件的，就是空气质量和能见度不能太差。
为什么氙气灯组穿透性不如卤素灯组呢？这就要从“色温”这个物理量开始说起。
色温是表示光线中包含颜色成分的一个计量单位。从理论上讲，色温是指绝对黑体（例如铂）从绝对零度（-273℃）开始加温后所呈现的颜色。黑体在受热后，逐渐由黑变红，转黄，发白，最后发出蓝色光。当加热到一定的温度，黑体发出的光所含的光谱成分，就称为这一温度下的色温，计量单位为热力学温标的“开尔文（K）”。如果某一光源发出的光，与某一温度下黑体发出的光所含的光谱成分相同，即称为某K色温。

使用这种方法标定的色温与普通大众所认为的“暖”和“冷”正好相反，例如，通常人们会感觉红色、橙色和黄色较暖，白色和蓝色较冷。而实际上红色的色温最低，然后逐步增加的是橙色、黄色和白色，蓝色的色温是最高的。也就是说，色温越低，色调越暖（偏红）；色温越高，色调越冷（偏蓝）。


但是色温不等于亮度。这是两个不同的物理量，描述不同方面的现象，单位也不同。色温只是对光源颜色的区别，而亮度则以“流明”为单位。比如卤素灯泡的色温在2300K到7000K，氙气灯泡的色温则在4200K到超过8000K的范围内。

色温越高，对雨、雾的穿透性就越差。这是个光学现象，雾灯和刹车灯使用低色温的光源便是这个原因。一些非法改装的冰蓝色大灯，在雨雪雾霾的天气里穿透性就极差。

另外氙气灯组的灯罩外如果沾上了泥水，会影响大灯光线的会聚，使光线朝其它方向散射，影响对向车辆的正常行驶。所以欧洲国家规定使用氙气灯组的车辆必须配备大灯清洗系统，并规定氙气灯组的色温最高应低于5000K。

正是由于氙灯的色温普遍较高（一般原装车灯的色温大约在4200K左右，白中稍带黄色），在遭遇能见度不好的雾天等环境下，会和悬浮在空气中的细微颗粒发生漫反射，造成眼前一片白的效果，反而对于安全有很大的威胁。此时普通卤素灯的穿透力则要有一些优势，雾天会更加游刃有余一些，因此很多近光配备氙气灯组的车型，远光会保留卤素灯组。

氙气灯组作为远光另外一个弊端就是开启时间有滞后，由于发光性质不同，氙气灯泡开启时间要比卤素灯泡慢一些。因此在超车前晃灯时氙气灯组会明显滞后，使用上不如卤素灯组自如。

当然为了解决这一弊端，很多车型的大灯设计为远近光一体，它是利用一个反光板将近光灯光线反射的更高更远一些，来代替远光氙灯单独开启的工作程序。

（5）对于对方车辆及行人的影响
对于卤素灯开远光的行为来说，氙灯+透镜组合远光灯上要“可怕”的多。对于那些对向的驶来的驾驶员来说，如果用晃眼来形容卤素灯开启远光的效果，那么氙灯开启远光用“极为刺眼”一点不为过，瞬间可以造成人眼的致盲。

因此夜晚驾驶车辆要严格遵循灯光的使用规定，尤其是远光也是氙灯的车主，更要谨慎使用。

（6）照度仪测试：用数据说话
为了实验更有说服性，某汽车网的工作人员使用了照度仪，对两种灯光光线强度进行测试。照度的定义：从同一方向看，在给定方向上的任何表面的每单位投影面积上的光照强度（光度）。（以下数据为多次采集后的峰值）
勒克斯（lx）是照度的单位，其物理意义为1流明（lumen）的光通量均匀照在1平方米表面上所产生的照度。
如果在日常生活中举例的话，适宜于我们阅读的照度约为60lx。

A.近距离测试
首先我们将照度仪分别贴住两车灯光，从数值上看，氙气灯组无论是近光灯还是远光灯，强度都是卤素灯组的一倍左右。
首先我们将照度仪分别贴住两车灯光，从数值上看：
近光强度对比：
a. 氙气灯组可以达到140000lx；
b. 卤素灯组70000lx。
远光强度对比：
a. 氙气灯组远光可达300000lx；
b. 卤素灯组则不足一半，仅为136000lx。



图：卤素灯组与氙气灯组的比较8



图：卤素灯组与氙气灯组的比较9

由此可见，由于氙气灯组有透镜帮助聚光，因此短距离内光线照度会远高于没有透镜的卤素灯组。
B.5米外数值

从数据上看似乎氙灯的光线强度优势尤为明显，不过当我们将仪器放在车前5米左右的距离时，由于距离拉开造成光源不再那么集中，因此卤素灯组均衡光线强度已经和氙气灯组持平。
5米距离近光强度对比：
a. 氙气灯组为4548lx；
b. 卤素灯组7800lx。



图：卤素灯组与氙气灯组的比较10

C.20米外远光数值
继续后退卤素灯组的数值甚至反超氙气灯组的表现，即便离开近光灯的照射范围，仪器移至距20米外，开启远光灯，卤素灯组的数值仍然占优，可见色温较高的氙气灯组的强度衰减很严重，穿透力也确实受到了影响，同时随着距离的增大，聚光的强度也有所减弱，此时虽然视觉效果很唬人，不过数据上显然不如卤素灯的表现。
20米距离远光强度对比：
a. 氙气灯组为200.1lx；
b. 卤素灯组234.1lx。



图：卤素灯组与氙气灯组的比较11



（7）总结：

通过收集他人做的实验和采集的数据，同学们得出了两种灯组的优劣势：
氙气灯组的优势：

A.氙灯有效照射范围内亮度高。
B.寿命长，氙灯利用电子激光气体发光，比卤素灯的寿命要长五倍左右。
C.省电，氙灯功率一般在35W，卤素灯要在55W左右，可以减少电力系统的负荷。
D.中高端车的主流配置，在多数人眼中显档次的配置之一。
卤素灯组的优势
A.成本低
B.开启速度快
C.光线相对均匀
D.遇到雨雾等能见度不好的天气时，穿透力更好。
3.车上还有哪些光学知识的应用
除了后视镜和车灯以外，汽车上还有许多部件是利用了光学知识的，同学们也一一学习了它们的原理以及应用。
比如说车玻璃贴膜的作用，包括有些贴膜之后只能从里面看外面，而外面看不到里面的原因。
还比如最近几年非常流行的抬头显示系统（简称HUD）。它其实是把一些主要的车辆或者导航信息投影到前挡风玻璃上，方便驾驶者迅速读取所需数据，还可以避免因为低头看而导致意外的情况。



图：HUD系统

对于运动和力的关系，切身体验是最好的教学

1.赛道上的“速度与激情”
惯性的知识，很多学生觉得比较生涩难懂，因此在学完这一章之后，我便带着他们来到卡丁车场，亲身体验加速、减速、转弯时，惯性带给身体的感觉。这种直观、刺激的体验，让他们一下子对惯性这个内容有了深刻的认识。

赛道的工作人员详细又耐心地从怎样调整安全带、油门和刹车的位置和用法，一直讲到赛道的构成，并带领同学们仔细勘察赛道。之后同学们带上头盔，便可以驰骋在赛道上了。

在赛道上，当右脚踩下油门时，同学们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”。
亲身体验过后，同学们对于惯性、力与改变运动状态这几个方面的知识，体会要比原来深刻许多。

2.轮胎上的力学

接着我们请到了专业人士给同学们讲解摩擦力。汽车上最重要的摩擦力非轮胎的抓地力莫属，同学们跟着老师学习不同花纹、材料和结构对于轮胎摩擦力的影响，以及未来轮胎设计的趋势。

比如说，轮胎选用橡胶材料是因为橡胶表面比较粗糙，能增大与地面的摩擦力。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”，老师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，雨水填满了路面的凹陷，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。

另外，民用胎为了考虑到成本与日常使用，花纹都是中心对称图形，能让同一条胎可以不分左右、不分前后地安装在车辆的任意位置。而比赛用胎则被称为“单导胎”，花纹呈轴对称图形。缺点是左右轮胎需用不同的流水线分开制造，但排水性能更好，在雨中也能充分发挥赛车的能力。

另一个重要的摩擦力应用就要属刹车了。我们有幸请到了宝马的工程师们给我们的同学讲解刹车的原理与设计、不同刹车的区别和优劣。同学们听得很认真。

然后宝马的工程师们还带领同学们去观看了专业驾驶者的漂移表演、亲身体验SUV的检测流程。当然，之前的安全教育必不可少，细致到连座位、安全带的调整都详细地作了说明。

来自引擎的热能

到了学生初三的时候，已经积累了诸如力、热、光等物理知识，在学完热这一章以后，我们又请到了宝马的工程师，来给同学们讲解热学在汽车上的应用——引擎，由专门的老师给他们教授这方面的物理知识是如何应用的。
值得一提的是，宝马的工作人员非常的敬业，之前反复阅读我们的教材，最后确定了以发动机及冷却作为最贴合课本的内容，精心设计了授课方式与实车体验环节。

首先宝马的工作人员向学生们介绍了发动机气缸的结构，以及完整一次工作循环的四个冲程，其中做功冲程（即为唯一提供动力的冲程）把燃料的内能转化成机械能。除此以外，还讲了车辆中各种不同的冷却系统，并比较了它们之间的优缺点。
为了提高学生们的兴趣，宝马的工程师们还使出了他们的“杀手锏”，不但拿出真车给学生们讲解，还把最新的M4 GTS中最新的“水喷射系统”也详细给学生们加以说明。

当然，一辆车的物理还远远没有结束

除了这几个方面的内容以外，在其它知识上我们都有相应的拓展课程内容，比如说学到杠杆这个内容，我便布置了设计一个能用人力举起一辆车的杠杆，并附上具体的计算和所有细节的数据，没想到有同学真的找到这种杠杆并亲手实验。

还比如说学到能量转化这一节，我就让同学们自己动手制作太阳能小车、橡筋动力小车以及风动力小车。他们不但制作得十分精良，还拿去参加区、市的比赛，取得了不俗的成绩。

其实比赛得什么奖是在其次，主要还是通过参赛这个手段激发学生们学习的兴趣与热忱，在过程中学会团队合作，利用物理知识解决一些实际问题，这才是我的真正目的。

一发不可收拾，越走越远

这几年来，我在拓展内容的教学上“一发不可收拾，越走越远”，形成了一套完整的校本课程体系。在课程十分成熟的基础上，我借鉴了个性化教学模式，开设了Physics School。每个月定一个主题，以讨论、研究、合作的方式学习物理。
比如去年暑假台风肆虐，造成了不可估计的人员和财产损失。出于安全教育和理性认识自然灾害的目的，那个月我定的主题就是“风”。
同学们先从台风的形成、危害以及预防和保护措施入手，从不同角度相互分享了他们所认识到的台风。

接着他们从台风拓展到了风力的应用，比如风力发电和飞机机翼的原理。在之后去美国游学期间还念念不忘研究了一半的课题，在加州科技馆请了当地的孩子一起协助参与风洞里机翼模型的研究。



图：加州科技馆内的风洞机翼模型实验

然后他们也一发而不可收拾，要求我上课教他们简单的空气动力学，学完后用3D软件自己设计赛车，并用3D打印机打印出来。
为了让他们能有更好的发展空间和前景，我们主动联系了一项名为“F1 in Schools”的国际赛事。在国际上这项比赛已经举办了近二十年，每年会有超过五十个国家、三万所学校、两千五百万学生与老师参与的STEM竞赛。



图：上海市F1 in Schools比赛现场