汽車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中所涉及的物理光學(xué)知識(shí)探析

摘 要：在國民經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展的時(shí)代背景下，汽車作為現(xiàn)代社會(huì)不可或缺的交通工具逐漸走入了普通大眾的視野。燃油汽車和新能源汽車都是科技發(fā)展的時(shí)代產(chǎn)物，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中包含了諸多光學(xué)、電力學(xué)以及熱力學(xué)的知識(shí)。文章以汽車結(jié)構(gòu)為載體，探討了汽車前擋風(fēng)玻璃、汽車觀后鏡、汽車各類燈光設(shè)計(jì)過程中所蘊(yùn)含的物理光學(xué)知識(shí)，對(duì)學(xué)習(xí)者掌握物理光學(xué)知識(shí)提供了實(shí)踐參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：汽車結(jié)構(gòu) 前擋風(fēng)玻璃 觀后鏡 光學(xué)知識(shí)

1 緒論

無論是燃油汽車還是新能源汽車都是科技發(fā)展到一定階段的產(chǎn)物，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中必然蘊(yùn)藏了很多科學(xué)知識(shí)，汽車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中所涉及的物理學(xué)知識(shí)包括但不限于力學(xué)知識(shí)、電學(xué)知識(shí)、熱學(xué)知識(shí)以及光學(xué)知識(shí)等等，其中汽車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中涉及的光學(xué)知識(shí)在初中物理《光現(xiàn)象》的教學(xué)中有所涉及，為了讓教學(xué)內(nèi)容更加貼近實(shí)踐研究，以生活中比較常見的汽車作為實(shí)踐研究載體，將物理課中抽象的光學(xué)知識(shí)進(jìn)行具象化處理，無論是對(duì)豐富物理教學(xué)內(nèi)容還是對(duì)提升學(xué)生學(xué)習(xí)物理知識(shí)的興趣都具有積極的促進(jìn)作用[1]。汽車的前擋風(fēng)玻璃、汽車左右兩側(cè)的后視鏡、汽車兩側(cè)車身的側(cè)面玻璃以及汽車車燈結(jié)構(gòu)均涉及了一定的光學(xué)知識(shí)。

2 汽車前擋風(fēng)玻璃中涉及的光學(xué)知識(shí)

玻璃是一個(gè)完整汽車結(jié)構(gòu)必不可少的組成部件，汽車玻璃主要功能是對(duì)車內(nèi)的司乘人員進(jìn)行全方位的防護(hù)，汽車玻璃按照材質(zhì)不同可分為夾層玻璃、鋼化玻璃以及區(qū)域鋼化玻璃。汽車玻璃按照所安裝的汽車結(jié)構(gòu)位置不同，可分為汽車前擋風(fēng)玻璃、后擋風(fēng)玻璃、汽車天窗以及汽車側(cè)窗玻璃。其中汽車強(qiáng)擋風(fēng)玻璃為夾層玻璃、汽車后擋風(fēng)玻璃為載有電加熱絲的鋼化玻璃、汽車側(cè)面車窗為鋼化玻璃。

汽車前擋風(fēng)玻璃的初始功能是為駕駛艙內(nèi)的司乘人員抵御風(fēng)寒、防止雨水和塵土進(jìn)入駕駛艙內(nèi)，隨著道路交通網(wǎng)絡(luò)的不斷建設(shè)以及汽車發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的更新迭代，汽車的行駛速度越來越快，汽車前擋風(fēng)玻璃在最初的抵御風(fēng)寒、抵擋沙塵基本功能上，還增加了視覺降速、抗爆等功能。汽車前擋風(fēng)玻璃不但為駕駛?cè)藛T提供良好的駕駛視野，而且汽車前擋風(fēng)玻璃的抗爆性能還可以在突發(fā)狀況下保護(hù)司乘人員的人身安全，汽車擋風(fēng)玻璃除了滿足以上功能外，汽車前擋風(fēng)玻璃還需要在輕量化和多功能化方面得到長足的發(fā)展。由此可見，汽車玻璃特別是汽車前擋風(fēng)玻璃在汽車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中具有十分重要的意義，需要對(duì)汽車玻璃特別是汽車前擋風(fēng)玻璃進(jìn)行深入研究[2]。

在現(xiàn)實(shí)生活中不難發(fā)現(xiàn)，公交車和短途大巴車的前擋風(fēng)玻璃是豎直安裝的，而小轎車的前擋風(fēng)玻璃是向后傾斜安裝的，具體如圖1所示。

轎車的前擋風(fēng)玻璃上部向后安裝和公交車的前擋風(fēng)玻璃豎直安裝的本質(zhì)原因涉及了物理學(xué)中光學(xué)知識(shí)。汽車前擋風(fēng)玻璃成像和公交車前擋風(fēng)玻璃成像的原理與物理課中平面鏡成像原理一致，將汽車前擋風(fēng)玻璃和公交車前擋風(fēng)玻璃均看作一個(gè)平面鏡，則二者的成像原理如圖2所示。

轎車的玻璃上部向后傾斜安裝可以使轎車內(nèi)乘客經(jīng)過前擋風(fēng)玻反射后所呈的像在車前方的上部，而路上的行人經(jīng)過擋風(fēng)玻璃反射后所呈的像是不可能出現(xiàn)在前擋風(fēng)玻璃的上方，這樣即便是駕駛員在視線較差的夜間行駛，也很容易將車內(nèi)乘車人員和路上行人進(jìn)行有效區(qū)分，將司機(jī)行車過程中出現(xiàn)錯(cuò)覺的概率降到最低，保證行車安全。此外，汽車前擋風(fēng)玻璃上部向后傾斜安裝可以有效減少汽車行進(jìn)過程中受到的風(fēng)阻。公交車等大型客車的前窗離地面高度要比轎車高很多，所以路上行人經(jīng)過前擋風(fēng)玻璃反射后形成的像與公交車內(nèi)乘客經(jīng)過前擋風(fēng)玻璃反射后的像不在同一個(gè)高度，公交車駕駛?cè)藛T不會(huì)將二者呈像混淆，不會(huì)對(duì)公交車的行車安全造成影響。

3 汽車后視鏡中涉及的光學(xué)知識(shí)

汽車的后視鏡通常由凸面鏡制作而成。處于相同位置的觀測(cè)者在凸面鏡和平面鏡所觀測(cè)的范圍如圖3所示。

從圖3可知，觀測(cè)者利用凸面鏡所觀測(cè)的范圍L2明顯大于觀測(cè)者用平面鏡所觀測(cè)的范圍L1。換言之，采用凸面鏡作為制作汽車后視鏡的材料，可以實(shí)現(xiàn)用口徑很小的凸面鏡觀測(cè)到很大的范圍，有利于汽車駕駛員觀測(cè)到后方情況，確保駕駛安全。

假設(shè)用平面鏡作為汽車后視鏡，汽車發(fā)動(dòng)機(jī)工作過程中會(huì)使得后視鏡出現(xiàn)垂直方向上的抖動(dòng)，這個(gè)抖動(dòng)的振幅很小，在多組試驗(yàn)測(cè)試中的振動(dòng)幅度基本在2mm左右。假設(shè)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)工作后以平面鏡為材質(zhì)的后視鏡在垂直方向上的振動(dòng)距離為X，則物距S的變化幅度與后視鏡在垂直方向上的振動(dòng)距離X一致，因物距S與像距S’相等，所以像距S’在垂直方向上的振動(dòng)幅度也同樣為X。所以，如果汽車后視鏡采用平面鏡，汽車行駛過程中發(fā)動(dòng)機(jī)的抖動(dòng)會(huì)讓后視鏡中觀測(cè)到的物體也發(fā)生抖動(dòng)，再加上汽車行駛速度過快和公路路面的顛簸，容易讓汽車駕駛員無法準(zhǔn)確判斷汽車后方的路況，影響駕駛安全。

用凸面鏡作為汽車后視鏡的效果就截然不同，在汽車行駛過程中不會(huì)出現(xiàn)后視鏡中影像顛簸情況，這里邊包含著物理光學(xué)知識(shí)。凸面鏡近軸光線成像公式如下：

式中：S—物距（mm）；

s’—像距（mm）；

f—焦距（mm）。

當(dāng)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)時(shí)，凸面鏡在發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)的同時(shí)也發(fā)生垂直方向上的振動(dòng)，假設(shè)凸面鏡在垂直方向上的振動(dòng)距離為X，物距S的變化用△S表示，像距S’的變化用△S’表示，則△S=S1-S2（S1表示振動(dòng)前物距，S2表示振動(dòng)后物距）；△S’=S2’-S1’（S1’表示振動(dòng)前像距，S2’表示振動(dòng)后像距）。根據(jù)上述公式可以推導(dǎo)出像距變化量△S’的計(jì)算公式如下：

在駕駛員駕駛汽車行進(jìn)過程中，物距實(shí)際距離均在3000mm以上，凸面鏡的焦距通常為150mm左右，假設(shè)因發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)導(dǎo)致的后視鏡振動(dòng)距離X為2mm，則通過上述公式可以確定△S’的數(shù)值為0.0055mm，也就是當(dāng)汽車行駛過程，用凸面鏡做成的后視鏡內(nèi)的像的振動(dòng)幅度僅為0.0055mm，用肉眼根本無法感受到其振動(dòng)，也就是在汽車行駛過程中，后視鏡內(nèi)的圖像是穩(wěn)定不上下抖動(dòng)的，為駕駛?cè)藛T準(zhǔn)確判斷汽車后方情況奠定了基礎(chǔ)。汽車后視鏡采用凸面鏡，不僅可以擴(kuò)大駕駛?cè)藛T的視野范圍，還可以確保后視鏡內(nèi)的圖像清晰穩(wěn)定，提升駕駛安全[3]。

4 汽車各種不同功能的車燈所涉及的光學(xué)知識(shí)

汽車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中包含了多種結(jié)構(gòu)類型不同、使用功能不同的車燈。汽車的車前大燈里的裝置是一個(gè)凹面鏡。當(dāng)我們利用強(qiáng)光源發(fā)出的平行光線去照射凹面鏡時(shí)，凹面鏡會(huì)將平行光匯聚到一個(gè)點(diǎn)上，具體如圖4所示。

可見，凹面鏡對(duì)光線有匯聚作用，可將平行照射于凹面鏡光線匯聚到同一個(gè)焦點(diǎn)。而我們觀察汽車前照大燈的實(shí)際情況，不難發(fā)現(xiàn)汽車大燈的實(shí)際位置正好位于汽車大燈反光裝置的焦點(diǎn)上，在焦點(diǎn)上的汽車燈發(fā)光時(shí)，正好可以將焦點(diǎn)處的燈光平行發(fā)射出去，為夜間汽車行駛提供充足的照明，汽車這個(gè)前照大燈應(yīng)用的物理光學(xué)知識(shí)正好是光的反射過程中，光的行進(jìn)路線是可逆的。

汽車各類燈具的面罩玻璃均具有橫條紋或者豎條紋結(jié)構(gòu)，通過玻璃上的條紋結(jié)構(gòu)將玻璃燈罩變成了一個(gè)棱鏡和透鏡的組合體，通過棱鏡和透鏡組合體對(duì)光線的折射作用，根據(jù)汽車行進(jìn)過程中的實(shí)際需求將燈光分散到指定區(qū)域，讓駕駛?cè)藛T看清汽車前進(jìn)方向道路上的車輛，但汽車夜間行駛不僅要看清車正前方的路況，還要看清路邊上的路標(biāo)、行人以及岔路口標(biāo)識(shí)，這時(shí)候散光燈罩可以將一部分光線向行車方向的上方折射，可以為駕駛?cè)藛T照明路標(biāo)和岔路口標(biāo)識(shí)，確保夜間駕駛汽車的行車安全。汽車夜間行駛會(huì)車時(shí)通常需要進(jìn)行遠(yuǎn)光和近光切換，這就需要將汽車燈光組設(shè)計(jì)為對(duì)燈結(jié)構(gòu)，夜間會(huì)車時(shí)將燈光組的遠(yuǎn)光切換為近光，保證駕駛員在會(huì)車時(shí)不會(huì)因?yàn)閺?qiáng)光出現(xiàn)眩目，增加駕駛安全系數(shù)。

汽車的左右轉(zhuǎn)向燈、汽車的前后霧燈的顏色通常采用黃色燈光，這是因?yàn)辄S色光的穿透力比其他顏色的光要強(qiáng)很多，在霧天可以有很強(qiáng)的穿透力，提醒前方、后方汽車安全規(guī)范行駛。汽車的剎車燈和示廓燈顏色為紅色，是因?yàn)榍胺狡噭x車后，后方汽車應(yīng)立即做出反應(yīng)，而紅色是所有顏色最敏感的顏色，可以瞬間引起后車司機(jī)的警覺，完成剎車動(dòng)作，確保行車安全。

5 結(jié)語

通過文章的分析研究，可知物理知識(shí)在現(xiàn)實(shí)中的應(yīng)用十分廣泛。汽車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中對(duì)物理光學(xué)知識(shí)的應(yīng)用有很多，通過理論聯(lián)系實(shí)際可以更好地掌握物理光學(xué)的理論知識(shí)。物理知識(shí)的學(xué)習(xí)過程中，不僅要掌握其理論知識(shí)，還要明白其實(shí)際應(yīng)用過程中的具體表現(xiàn)情況，通過理論與實(shí)踐的結(jié)合，更好地掌握物理光學(xué)知識(shí)點(diǎn)，也能更好地學(xué)以致用。

參考文獻(xiàn)：

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