“汽车中的光学知识应用”实践活动案例

2020-08-18

农村青少年科学探究 2020年5期

关键词：头灯挡风玻璃平面镜

一、活动背景

在学习了八年级物理上册第四章《光现象》后，我们知道了光学知识被广泛地应用于汽车制造中。因此，我们物理兴趣小组的成员决定根据所学的光学知识，对这些应用进行实践探究，从而更进一步地了解和掌握光学知识的应用原理。

二、活动设想

1.通过实验和所学光学知识，解决三个问题：

问题一：汽车驾驶室外面的观后镜为什么要用凸面镜？

问题二：汽车头灯里的装置是一个凹面镜，应用的光学知识是什么？

问题三：小轿车的前挡风玻璃为什么要倾斜安装？公交车或大型货车的前挡风玻璃为什么是竖直安装的？

2.通过查阅资料，了解一些自己不知道的光学知识在汽车中的应用，以拓展知识面，主要有如下两个问题：

问题四：汽车头灯为什么总要使用带有横竖条纹的玻璃灯罩？

问题五：为什么汽车的雾灯和转向灯都使用黄色灯光，而刹车灯和夜行示廓灯都采用红色灯光？

3.把活动过程和结论制作成PPT课件，在课堂上展示给同学们，和同班同学分享我们的实践成果，共同巩固知识，共同进步！

三、准备活动

1.制定活动计划，明确个人分工。

2.找物理老师借实践活动所需的光学器材（凸面镜、凹面镜、茶色玻璃板、蜡烛、火柴、光源），准备作图工具和白纸。

3.查阅资料。（可利用学校图书馆、因特网等资源，还可以向物理老师请教）

四、活动步骤实施

1.进行各个问题的实验、探究、查阅、总结。

问题一：汽车驾驶室外面的观后镜为什么要用凸面镜？

（1）实验观察：我们找到一面凸面镜和一面平面镜，观察对比后发现：物体通过凸面镜所成的像是正立、缩小的，而通过平面镜所成的像是正立、等大的；凸面镜的视野范围要比平面镜的更大。

（2）作光路图：根据所学的光的反射定律知识，我们作出了凸面镜的光路图（如图1）。

（3）总结结论：凸面镜对光有发散作用，根据“在反射现象中，光路可逆”的知识，来自更大范围景物的光能进入司机的眼睛，使司机看到的范围更大，从而保证行车的安全。

图1

问题二：汽车头灯里的装置是一个凹面镜，应用的光学知识是什么？

（1）首先我们进行了实验，利用“强光源”发出平行光束，照射到凹面镜上，发现凹面镜将平行光会聚到了一点。

（2）我们作出了凹面镜对光的作用的光路图（如图2）。凹面镜对光有会聚作用：平行光入射到凹面镜表面，经凹面镜反射后会聚到一点，这个点就是焦点。

（3）我们又作出了汽车头灯反光示意图（如图3），发现汽车头灯的反光装置——凹面镜能把放在其焦点上的光源发出的光反射成为平行光射出。

（4）总结结论：汽车头灯的反光装置应用到的光学知识是：在反射现象中，光路可逆。

问题三：小轿车的前挡风玻璃为什么要倾斜安装？公交车或大型货车的前挡风玻璃为什么是竖直安装的？

图2

图3

首先，我们在物理老师的指导下重新做了“平面镜成像实验”（如图4），在甲步骤的基础上，又增加了乙和丙两个步骤，发现如果玻璃板竖直放置，蜡烛的像会成在玻璃板的正前方，而如果玻璃板倾斜放置，则蜡烛的像会成在玻璃板的斜上方或斜下方。于是，我们马上得出了答案：小汽车的前挡风玻璃相当于平面镜，平面镜成像的特点之一——像与物关于镜面对称；如果竖直安装，车内物品及人的像会成在正前方，干扰司机观察路况，而倾斜安装就可以使像成在斜上方，不干扰司机观察路况。（物理老师告诉我们，小汽车前挡风玻璃倾斜安装除了有为了行车安全的光学知识外，还包含减小风阻的力学知识）

当夜间行车时，后面车辆射来的光，照射到前挡风玻璃后，会斜向下反射；当车内景物被照亮时，通过前挡风玻璃所成的像在驾驶员前面的斜上方，驾驶员不会因为反射光而受到干扰，从而保证了行车的安全。

大型货车或公交车前挡风玻璃不太倾斜，因为车内物体的像虽然成在司机的正前方，但是大型货车或公交车驾驶室比较高，司机看前方道路时要俯视，物体的像几乎不会影响司机的视线。

问题四：汽车头灯为什么总要使用带有横竖条纹的玻璃灯罩？

通过上网查阅资料，我们知道了汽车头灯由灯泡、反射镜和灯前玻璃罩组成。根据透镜和棱镜的知识可知，汽车头灯玻璃罩相当于一个透镜和棱镜的组合体。在夜晚行车时，司机不仅要看清前方路面的情况，还要看清路边行人、路标和岔路口等。透镜和棱镜对光线有折射作用，所以灯罩通过折射，根据实际需要将光分散到需要的方向上，使光均匀柔和地照亮汽车前进的道路和路边的景物，同时这种散光灯罩还能使一部分光微向上折射，以便照明路标和里程碑，从而确保行车安全。（如图5）