劉立毅　董玉秋

如果把動力裝置分散安裝在每節(jié)車廂上，使其既具有牽引動力，又可以載客，這樣的客車車輛便叫做動車，而將幾節(jié)自帶動力的車輛和幾節(jié)不帶動力的車輛編成一組，就成了動車組。帶動力的車輛叫動車，不帶動力的車輛叫拖車。于2008年8月1日正式運營的京津城際鐵路連接北京、天津兩大直轄市，全長120 km，鐵路設(shè)計最高時速為350 km。投入運營后，該線采用了公交化城際列車和跨線列車混合開行的運輸組織模式，大量開行國產(chǎn)時速300 km的CRH2型動車組列車和時速350公里的CRH3型動車組列車，京津間全程直達運行時間控制在30 min內(nèi)，列車最小行車間隔3 min。截至2008年11月，鐵道部動車組招標總計為420列，據(jù)預測，2010年我國動車組列車將達700列。動車組的提速為人們的出行帶來了極大的便利，節(jié)約了乘車時間。

一、動車組的牽引功率

1. 動車組的速度和動車組牽引力的功率有關(guān)，某動車組在提速前的最大速度為v=60 km/h，此時牽引力的功率為P，若CRH2型動車組列車提速后的最大速度為v=300 km/h，對應的牽引力的功率為P，設(shè)動車組運行過程所受的阻力與其速度成正比。

（1）求P/P；

（2）簡要說明提高動車組速度應采取的措施。

二、動車組的節(jié)能途徑

2. 動車組之所以運行速度較大，是以消耗超大功率為代價的，如南車四方（聯(lián)合日本財團）生產(chǎn)的日本新干線E2-1000，牽引功率為4 800 kW。專家計算結(jié)果表明：與80 km/h最大設(shè)計速度相比，100 km/h的最大設(shè)計速度可以壓縮旅行時間12.1%，但能耗將增加22.7%。這就需要我們探索節(jié)能的各種方法。對動車組的車站，可像2008年投入使用的北京地鐵10號線車站一樣，將站臺建得高些，車輛進站時要上坡將動能轉(zhuǎn)化為重力勢能，出站時要下坡將重力勢能轉(zhuǎn)化為動能。如圖1所示，已知坡高為h，重力加速度為g，車輛的質(zhì)量為m，進站車輛到達坡下A處時的速度為v0，此時切斷電動機的電源，求：

（1）車輛在上坡過程中，若只受重力和軌道的支持力，求車輛“沖”到站臺上的速度有多大？

（2）實際上車輛上坡時，還受到其他阻力作用，要使車輛能“沖”上站臺，車輛克服其他阻力做的功最大為多少？

三、動車組的噪聲消除

3. 人們在乘坐動車組出行時，希望有一個安靜、無噪聲污染的環(huán)境，消除噪聲污染也是當前環(huán)境保護的一個重要課題。動車組的通風機等設(shè)備在排放各種高速氣流的過程中都發(fā)出噪聲，干涉型消聲器可以用來消弱高速氣流產(chǎn)生的噪聲，其結(jié)構(gòu)及氣流運行如圖2所示，該消聲器產(chǎn)生波長為λ的聲波，沿水平管道自左向右傳播，當聲波到達a處時，分成兩束相干波，它們分別通過r1和r2的路程，再在b處相遇，即可達到消弱噪聲的目的。若Δr=r2-r1，則Δr等于（）

A． 波長λ的整數(shù)倍 B． 波長λ的奇數(shù)倍

C． 半波長的奇數(shù)倍D． 半波長的偶數(shù)倍

四、動車組的車門報警

4. 為保證乘客安全，動車組運行前必須使車門關(guān)閉完好，為此某同學應用兩個門電路設(shè)計了如圖3所示的車門報警電路，圖3中的兩個按鈕開關(guān)S、S分別裝在車廂的兩道門上，要求其中的任何一個車門開啟（即開關(guān)斷開）時，發(fā)光二極管D（報警燈）都發(fā)光，請在圖4中虛線框中畫出所用門電路的符號。

五、動車組的速度測量

動車組在運行過程中，為了運行安全需適時監(jiān)測運行速度，常用下述方法測量：

利用光電傳感器測量

5. 圖4表示某動車組車廂里一實驗小車中，利用光電脈沖來測量車速和行程的裝置，A為光源，B為光電接收器，A、B均固定在車身上，C為小車的車輪，D為與C同軸相連的齒輪。車輪轉(zhuǎn)動時，A發(fā)出的光束通過旋轉(zhuǎn)齒輪上的齒隙后變成脈沖光信號，被B接收并轉(zhuǎn)換成電信號，由電子電路記錄并顯示。若實驗顯示單位時間的脈沖數(shù)為n，累計顯示的總脈沖數(shù)為N，則要測出小車的速度和行程還必須測量的物理量或數(shù)據(jù)是_______；小車速度的表達式為_______；行程的表達式為_______。

利用多普勒效應測量

6. 某乘客在山東德州火車站觀測發(fā)現(xiàn)，當動車組駛?cè)霑r，會覺得其汽笛基音頻率為遠離時頻率的9/8倍，此即聲波的多普勒效應。已知聲音在空氣中的傳播速度為v=340 m/s，求動車組的速度。

利用雷達“測速槍”測量

7. 多普勒測速雷達是一種測速儀器，通常又叫做“測速槍”。雷達“測速槍”的結(jié)構(gòu)主要是由電磁波發(fā)射器、電磁波接收器、微型電腦以及數(shù)碼顯示器組成，當然它也有槍筒、手柄、板機和電源等部件?！皽y速槍”測量動車組速度時，指向動車組并發(fā)射一束電磁波，再由動車組反射回來被同一個天線接收。這時如果動車組停止不動，那么發(fā)射和接收的電磁波數(shù)量相等。根據(jù)多普勒效應，當動車組駛向“測速槍”時，由于電磁波受到駛近動車組“壓縮”的緣故，接收的波數(shù)比發(fā)射的要多一些，而且速度越大，返回天線的電磁波也越多。

圖5中的雷達“測速槍”正在向一輛接近的動車組發(fā)出無線電波，并接收被動車組反射的無線電波，由于動車組的運動，接收的無線電波頻率與發(fā)出時的不同，利用頻率差“f-f”就能算出動車組的速度，已知發(fā)射和接收的頻率間關(guān)系為f=（1+2v/c）f，式中c是真空中的光速，若f=2×109 Hz，f-f=400 Hz，求被測動車組的速度大小。

六、動車組的轉(zhuǎn)彎速度

8. 全世界每年死于車禍的人數(shù)約為60萬，我國一年在交通事故中死亡的人數(shù)達10萬余人。在2008年4月28日，T195次北京至青島四方的動車組與5034次煙臺至徐州的列車在山東省淄博市周村附近相撞，發(fā)生列車脫線、顛覆事故，造成72人死亡，416人受傷。調(diào)查結(jié)果顯示，事故發(fā)生在周村至王村站之間轉(zhuǎn)彎處，其轉(zhuǎn)彎半徑R=359.6 m，把動車組在轉(zhuǎn)彎處看成做勻速圓周運動，鐵路技術(shù)標準給出在彎道上列車行駛的最大速度和半徑R的關(guān)系為vm=（式中vm的單位為km/h，R的單位為m）。

（1）求T195動車組在轉(zhuǎn)彎處的安全速度（保留兩位有效數(shù)字）。

（2）事故后測量出T195次動車組在轉(zhuǎn)彎處速度為v=131 km/h，用高中物理學知識分析事故原因。很多有經(jīng)驗的駕駛員總結(jié)出的安全秘訣有：①遵守速度限制；②注意彎道等，你看是否有道理。

七、動車組的軸溫監(jiān)測

9. 為了列車運行安全，“和諧號”等動車組均裝有車軸溫度傳感器，用來監(jiān)測軸承溫度，圖6為其原理圖。圖中R為金屬導體溫度傳感器，靠近車軸軸承處（不隨軸轉(zhuǎn)動），A為由電流表改裝的溫度表，當軸溫升高時，R阻值迅速增大，電流表的示數(shù)增大而顯示報警?？蓪D6電路簡化為圖7甲所示的電路，將電流表的電流刻度改成對應的溫度刻度就將電流表改裝成了溫度表。設(shè)圖7甲中電源的電動勢為E=9.0 V，內(nèi)阻為零，R為熱敏電阻，其阻值與溫度的關(guān)系如圖7乙所示。當熱敏電阻的溫度為t=20 ℃時，電流表讀數(shù)為I=2 mA。由圖7乙及相關(guān)知識計算，電流表的刻度I=3.6 mA時，對應的溫度t應為多少攝氏度？

八、動車組的掛接編組

10. 最高速度是動車組能夠達到的最大速度，提高最高速度的效果是加速旅客送達速度，但具體的提高效果卻取決于列車重量及編組等因素，由于動車組的牽引力是相對固定的，列車編組越大，旅客密度越高，牽引重量越大，最高速度的優(yōu)勢越不明顯。為滿足不同列車之間車廂進行重新組合的需要，通常需要將相關(guān)的列車通過“駝峰”送入編組場后進行重組，如圖8所示。重組后的車廂屬同一組的分布在同一軌道上，但需要掛接在一起。現(xiàn)有一列車共有n節(jié)車廂，需要在編好組的“駝峰”左側(cè)逐一撞接在一起。已知各車廂之間間隙均為s，每節(jié)車廂的質(zhì)量都相等，現(xiàn)有質(zhì)量與車廂質(zhì)量相等且沒有動力驅(qū)動的機車經(jīng)過“駝峰”以某一初速度向第一節(jié)車廂運動，碰撞后通過“詹天佑掛鉤”連接在一起，再共同去撞擊第二節(jié)車廂，直到n節(jié)全部掛好，此時車廂的速度為v。不計車廂在鐵軌上運動時所受阻力及碰撞過程所需的時間，求：

（1）這列車掛接前機車初速度的大小。

（2）機車帶動第一節(jié)車廂完成整個撞接過程所經(jīng)歷的時間。