水波的多普勒效應(yīng)演示器

林麗霞 梅韻芝 李德安

(華南師范大學(xué)物理與電信工程學(xué)院 廣東 廣州 510006)

“多普勒效應(yīng)”是在學(xué)習(xí)了波的有關(guān)知識(shí)后編排的，該效應(yīng)是一種常見的現(xiàn)象.由于該部分知識(shí)相對(duì)抽象，若教師不能配合相應(yīng)的教具輔助教學(xué)，學(xué)生便對(duì)其缺乏感性認(rèn)識(shí).通過水波的多普勒效應(yīng)演示器能讓學(xué)生知道生活中的多普勒效應(yīng)，在開拓學(xué)生眼界的同時(shí)加深學(xué)生對(duì)多普勒效應(yīng)原理的理解與掌握，從而激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)物理的求知欲望.

1 多普勒效應(yīng)的原理

多普勒效應(yīng)是指波源或接收器，或兩者都相對(duì)于傳波媒質(zhì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，接收器所接收到的波的頻率與波源的振動(dòng)頻率兩者不同的現(xiàn)象：相互靠近時(shí)所接收到的頻率升高，相互遠(yuǎn)離時(shí)所接收到的頻率降低[1,2].

(1)

對(duì)于水波多普勒效應(yīng)演示器的裝置來說，在式(1)中，v為水波的傳波速度，v1為接收器的移動(dòng)速度，本裝置中由于接收器被固定了，所以v1是為零的.v0為波源的移動(dòng)速度，f0為某一時(shí)間點(diǎn)的頻率，“+”表示波源往靠近接收器的方向移動(dòng)，“-”表示波源往遠(yuǎn)離接收器的方向移動(dòng).

2 水波的多普勒效應(yīng)的原理

當(dāng)水波向接收器靠近時(shí)，接收器單位時(shí)間接收到波的個(gè)數(shù)，將比水波原來單位時(shí)間內(nèi)所發(fā)出波的個(gè)數(shù)多.因?yàn)樗òl(fā)生器在發(fā)出最后一個(gè)波時(shí)比在發(fā)射第一個(gè)波時(shí)更靠近接收器，這表示接收到的頻率與水波發(fā)生器相比變高.反之，當(dāng)水波發(fā)生器遠(yuǎn)離接收器時(shí)，接收到的頻率與水波發(fā)生器相比低一些，因此可用水波波紋疏密變化來定性演示水波的多普勒效應(yīng).用一定頻率擊打水面形成水波，而后在水面上移動(dòng)打擊點(diǎn)，可以觀察到在移動(dòng)方向上出現(xiàn)波紋疏密變化的現(xiàn)象，從而達(dá)到定性演示水波的多普勒效應(yīng)的目的[3～5].

3 實(shí)驗(yàn)器材及制作方法

3.1 實(shí)驗(yàn)器材

頻閃光源(手機(jī)可提供),3 V電源,開關(guān),導(dǎo)線若干,水槽,小馬達(dá),雪糕棒一根,塑料珠子一顆,螺絲和螺母若干,有機(jī)玻璃板,吸管,透明的筆芯,小珠子一個(gè).

3.2 制作方法

自制的水波發(fā)生器如圖1所示.

圖1 水波發(fā)生器(波源)

利用小馬達(dá)帶動(dòng)用雪糕棒制成的轉(zhuǎn)動(dòng)風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)下面的珠子(觸點(diǎn))擊打水面從而產(chǎn)生水波.

水波接收器如圖2所示，一個(gè)圖釘帽上粘上一個(gè)珠子，最后再將其粘固在水槽上.

圖2 水波接收器(接收源)

小馬達(dá)的轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)力是利用3 V的電池及導(dǎo)線開關(guān)等組成的電路來驅(qū)動(dòng).

水波的多普勒效應(yīng)演示器整體裝置如圖3所示.

圖3 水波的多普勒效應(yīng)演示器整體裝置

4 方法及效果

4.1 使用方法

在手機(jī)頻閃光源的照明下，接通電源開關(guān)，驅(qū)動(dòng)小馬達(dá)帶動(dòng)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，使得扇葉轉(zhuǎn)到最低點(diǎn)時(shí)打到觸點(diǎn)，從而在水面產(chǎn)生水波.因?yàn)殡妱?dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的頻率是一定的，所以水波發(fā)生器產(chǎn)生的水波的頻率也是一定的，即產(chǎn)生的波紋數(shù)也是一定的，然后在水面上移動(dòng)水波發(fā)生器，從而改變水波發(fā)生器與接收器之間的相對(duì)距離，此時(shí)可以觀察到在接收器處出現(xiàn)波紋疏密變化.在實(shí)驗(yàn)過程中，我們可觀察到水波發(fā)生器與接收器之間的距離由相對(duì)遠(yuǎn)到靠近的過程中伴隨著接收器處的波紋數(shù)從稀疏到密集的現(xiàn)象，因此可以達(dá)到定性演示水波的多普勒效應(yīng)的目的.

4.2 實(shí)驗(yàn)效果

實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象如圖4和圖5所示，其中圖4(a)、(b)、(c)分別為波源由遠(yuǎn)處靠近接收器再遠(yuǎn)離接收器時(shí)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，由圖可看出，波數(shù)相應(yīng)由疏變密再變疏，換相對(duì)較大的接收器，遵循同樣的規(guī)律，如圖5(a)、(b)、(c)所示.

圖4 用釘帽作為接收器時(shí)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

圖5 用大的水波接收器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

5 實(shí)驗(yàn)演示儀的創(chuàng)新點(diǎn)及其優(yōu)點(diǎn)

創(chuàng)新點(diǎn)：可以通過改變通過小馬達(dá)的電流來改變小馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)的頻率，進(jìn)而控制單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生水波數(shù)目的多少，即實(shí)現(xiàn)水波數(shù)目的可控化，以達(dá)到最好的實(shí)驗(yàn)效果.

優(yōu)點(diǎn)：該演示儀主要由4部分組成，分別是手機(jī)的頻閃光源、小馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的水波源、水槽、電源.這些實(shí)驗(yàn)器材簡單易得、成本較低，可視度高，操作性強(qiáng)，便于在課堂上演示實(shí)驗(yàn)來引導(dǎo)學(xué)生對(duì)多普勒效應(yīng)的進(jìn)一步理解和掌握.對(duì)教師而言是一種適合教學(xué)的演示多普勒效應(yīng)原理的教學(xué)儀器，對(duì)學(xué)生而言是利于動(dòng)手探究多普勒效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)裝置.

1 梁佩瑩,梁澤匯,李成龍,等. 基于多普勒效應(yīng)的水波特性實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì). 大學(xué)物理,2016(09):20～23

2 劉杰. 基于自制教具的水波多普勒效應(yīng)實(shí)驗(yàn)探究. 中國現(xiàn)代教育裝備,2012(22):50～51

3 邱寧. 多普勒效應(yīng)演示器. 大學(xué)物理,2000(06):44～45

4 蘇立乾. 《多普勒效應(yīng)》教學(xué)設(shè)計(jì).教育教學(xué)論壇,2014(25):281～282,275

5 龔勁濤,王素芳. 對(duì)多普勒效應(yīng)中幾個(gè)問題的探討. 物理與工程,2010(04):65～67