铁路中的初中物理知识点

铁路中的初中物理知识点

铁路发展史

主线：蒸汽机车（热机）→内燃机车（柴油机热机）→电力机车/高铁（电动机）

一、蒸汽时代（热机时代，蒸汽机，1804–1900）

1804年，特里维西克造出世界第一台蒸汽机车，试验成功，但笨重、可靠性差。

1825年，斯蒂芬森“旅行号”，世界第一条商用铁路（斯托克顿—达灵顿铁路）正式通车，标志铁路诞生。

物理关联：蒸汽机属于热机，燃料化学能→内能→机械能；利用蒸汽推动活塞做功。

1830年后，欧美各国大规模修建铁路，蒸汽机车成为主力。

缺点：体积大、笨重、效率很低（热机效率只有5%左右）、污染大、要不断加煤加水。

二、内燃机车起步（柴油机，1900–1950）

1892年狄塞尔发明柴油机（压燃式内燃机），为内燃机车打下基础。

20世纪初，试验型内燃机车出现；二战后技术成熟开始推广。

物理关联：柴油机，四冲程热机，和燃油汽车发动机原理同类，化学能→内能→机械能。

特点：不需要锅炉，比蒸汽机车干净、效率更高（25%左右），不用沿途设加水加煤站点。

小知识：绝大多数内燃机车不是柴油机直接驱动轮子，而是柴油机带动发电机发电，再用电驱动牵引电机（柴电传动）。

三、电力机车兴起（电动机，1879–1960）

1879年，西门子展示第一台小型电力机车。

20世纪初，电气化铁路开始建设，需要架设接触网供电。

物理关联：电动机，通电线圈在磁场中受力转动，电能→机械能；刹车可电磁感应发电、能量回收。

优点：动力强、噪音小、无尾气、适合长大坡道和隧道；缺点：必须架设供电线路，建设成本高。

四、高速列车时代（高铁，1960至今）

1964年，日本新干线0系通车，世界第一条高速铁路，标志高铁时代开启。

德、法相继研发高速电力动车组（TGV、ICE）。

中国高铁发展：

2003年秦沈客运专线；

2008年京津城际，中国第一条时速350km高铁；

后续复兴号自主研发，永磁同步电机、8节编组动车组普及，建成世界最大高铁网。

配套物理考点：流线型车身（流体压强）、钢轨枕木（压强）、受电弓、制动能量回收。

五、中国铁路简要时间线

1876淞沪铁路：中国第一条营业铁路（外资修建）

1909京张铁路，詹天佑主持，中国人自主设计修建第一条干线铁路

1952解放型蒸汽机车，国产蒸汽机车

1958国产内燃机车、电力机车试制成功

2008京津城际高铁通车

2017复兴号正式投入运营

蒸汽机车：蒸汽机（热机），化学能→内能→机械能，效率极低

内燃机车：柴油机（内燃机），化学能→内能→机械能，效率中等

电力动车组（高铁）：电动机，电能→机械能，效率高，可回收能量

物理知识点

一、力学

1.力与运动、惯性

列车刹车后继续向前滑行：物体具有惯性；质量大，惯性大，所以火车刹车距离很长。

2.匀速直线行驶：牵引力与阻力二力平衡。

加速、减速、转弯：力改变物体的运动状态。

安全提示：不能靠近轨道，列车速度大，不容易立刻停下。

3.摩擦力

钢轨光滑：减小接触面粗糙程度，减小摩擦，节省动力；

刹车时，闸瓦压紧车轮：增大压力，增大摩擦；

轮轴：车轮属于轮轴，简单机械。

4.压强

钢轨铺在枕木上：增大受力面积，减小对路基的压强，防止路基下陷。

铁轨很窄：车轮和钢轨接触面积小，集中压力，保证导向。

5.流体压强（伯努利原理）

列车高速驶过，车体附近空气流速大、压强小；远处空气流速小、压强大。

人站太靠近轨道，外侧大气压会把人压向列车。

结论：站台设置安全黄线的物理原理。

6.重心

列车底盘低、重心低，行驶更稳定。

二、电学（电气化铁路，高铁核心）

1.供电系统

高铁、动车是电力机车，从头顶接触网获取高压交流电。

牵引电动机原理：通电线圈在磁场中受力转动；

能量转化：电能→机械能。

和电动汽车驱动电机原理一样！

受电弓弹性结构，保证和高压线紧密接触，持续导电；受电弓弹性发生弹性形变，利用弹力。

2.制动能量回收

动车减速刹车时，电机变发电机，电磁感应，机械能转化为电能，回送电网，节约能源。

3.信号、指示灯信号灯：

并联电路；

电流的光效应；轨道电路、传感器用到电磁铁（电流的磁效应）。

4.区分：

老式内燃机车——柴油机，属于热机，化学能→内能→机械能

三、热学

1.摩擦刹车、电机工作都会发热：电流热效应、摩擦生热，做功改变内能；

2.散热系统：水比热容大，做冷却液；热传递散热；

3.冬天轨道结冰：凝固；除冰时熔化。

四、声学

1.鸣笛：物体振动发声；

2.铁轨传声：

固体传声速度比空气快（很早以前工人趴在铁轨听远处火车）；

降噪：轨道减振垫、全封闭车窗、真空窗户——在传播过程中减弱噪声；

3.多普勒效应：火车靠近，听到鸣笛音调变高；远离音调变低。

五、光学

1.信号灯：光沿直线传播；光的反射；

2.车窗玻璃：减速玻璃（本质不是减速，是畸变小，视觉平稳）；

3.反光标识：光的反射，提醒注意。

六、计算常用公式

牵引力做功：W=Fs

功率：P=W/t=Fv

速度：v=s/t

对比小结:

内燃机车：热机（柴油机），化学能→内能→机械能

电力动车/高铁：电动机，电能→机械能，可能量回收