對多普勒效應(yīng)演示實驗的建議

高中物理選修3-4《多普勒效應(yīng)》一節(jié)中，課文用演示實驗《蜂鳴器音調(diào)的變化》引入新課，為學(xué)生提供了直觀的生活實例，使學(xué)生能迅速準(zhǔn)確地理解多普勒效應(yīng)作好鋪墊，確實是一個好實驗。

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筆者做了這個實驗，學(xué)生感覺到聲音的變化十分明顯，經(jīng)過與多位同行的探討，現(xiàn)將對該演示實驗的思考總結(jié)出來，僅供參考。

首先，實驗中用竹竿且按圖示的軌跡旋轉(zhuǎn)，有點不切合實際，若按照圖中的樣子，桿是不可能以人為軸旋轉(zhuǎn)的，如果確實需要以人為軸旋轉(zhuǎn)，用一根細(xì)繩豈不更好，這樣，也就更易攜帶、更合情合理了。筆者課前用繩子拴著蜂鳴器，只需裝在口袋里，上課時操作也較為簡便，學(xué)生還感到有點神秘，實際效果的確不錯。

其次，在該演示實驗表述中，學(xué)生很容易理解為，蜂鳴器在人頭頂上做圓周運(yùn)動，該人聽到聲音的頻率會發(fā)生變化。筆者就此問題查閱了大量的資料，若將實驗情景轉(zhuǎn)化為一簡單物理模型，為更好地說明問題，先從一般情況入手，然后過渡到實驗中的特殊情況。

如上圖所示，觀察者位于P點處于靜止?fàn)顟B(tài)，蜂鳴器沿逆時針繞0點做勻速圓周運(yùn)動，速度大小為v，并且蜂鳴器相對于觀察者的速度為vD，設(shè)u為聲波傳播的速度，觀察者的接收頻率f與波源頻率f0之間的關(guān)系為：f=uu+vDf0。

由此可見，當(dāng)L發(fā)生變化時，接收頻率 也隨之發(fā)生變化，而實驗中是L=0時的特殊情形，其接收頻率不可能變化。以上的結(jié)論恰好與課本提供多普勒效應(yīng)的定義是一致的，即“波源與觀察者互相靠近或者遠(yuǎn)離時，接收到的波的頻率都會發(fā)生變化”。可見，實驗中聲音的變化確實不是頻率的變化。

如果將插圖中的人不放在在中心位置，或?qū)U的軌跡作一調(diào)整，人就可以感覺到聲音頻率的改變了。但教師在講解時，可提醒學(xué)生，插圖中的蜂鳴器若做圓周運(yùn)動，插圖中的人若為一質(zhì)點，他將不可能聽到聲音的頻率變化。筆者認(rèn)為如果在實驗的表述中明確說明圖中的甲同學(xué)是在演示，旁邊的乙同學(xué)在聽聲音的音調(diào)是否變化，這樣既體現(xiàn)了合作精神，又明確了各自的角色。

實際情況下，實驗者也能聽到聲音變化，這可能與運(yùn)動軌跡不是圓形和兩耳的位置均不在圓心有關(guān)。

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請以PDF格式閱讀原文。