林麗霞 梅韻芝 李德安

(華南師范大學物理與電信工程學院 廣東 廣州 510006)

“多普勒效應”是在學習了波的有關知識后編排的，該效應是一種常見的現(xiàn)象.由于該部分知識相對抽象，若教師不能配合相應的教具輔助教學，學生便對其缺乏感性認識.通過水波的多普勒效應演示器能讓學生知道生活中的多普勒效應，在開拓學生眼界的同時加深學生對多普勒效應原理的理解與掌握，從而激發(fā)學生學習物理的求知欲望.

1 多普勒效應的原理

多普勒效應是指波源或接收器，或兩者都相對于傳波媒質運動時，接收器所接收到的波的頻率與波源的振動頻率兩者不同的現(xiàn)象：相互靠近時所接收到的頻率升高，相互遠離時所接收到的頻率降低[1,2].

(1)

對于水波多普勒效應演示器的裝置來說，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為波源的移動速度，f0為某一時間點的頻率，“+”表示波源往靠近接收器的方向移動，“-”表示波源往遠離接收器的方向移動.

2 水波的多普勒效應的原理

當水波向接收器靠近時，接收器單位時間接收到波的個數(shù)，將比水波原來單位時間內所發(fā)出波的個數(shù)多.因為水波發(fā)生器在發(fā)出最后一個波時比在發(fā)射第一個波時更靠近接收器，這表示接收到的頻率與水波發(fā)生器相比變高.反之，當水波發(fā)生器遠離接收器時，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.用一定頻率擊打水面形成水波，而后在水面上移動打擊點，可以觀察到在移動方向上出現(xiàn)波紋疏密變化的現(xiàn)象，從而達到定性演示水波的多普勒效應的目的[3～5].

3 實驗器材及制作方法

3.1 實驗器材

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

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)

利用小馬達帶動用雪糕棒制成的轉動風扇轉動，從而帶動下面的珠子(觸點)擊打水面從而產(chǎn)生水波.

水波接收器如圖2所示，一個圖釘帽上粘上一個珠子，最后再將其粘固在水槽上.

圖2 水波接收器(接收源)

小馬達的轉動動力是利用3 V的電池及導線開關等組成的電路來驅動.

水波的多普勒效應演示器整體裝置如圖3所示.

圖3 水波的多普勒效應演示器整體裝置

4 方法及效果

4.1 使用方法

在手機頻閃光源的照明下，接通電源開關，驅動小馬達帶動轉軸轉動，使得扇葉轉到最低點時打到觸點，從而在水面產(chǎn)生水波.因為電動機轉動的頻率是一定的，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距離，此時可以觀察到在接收器處出現(xiàn)波紋疏密變化.在實驗過程中，我們可觀察到水波發(fā)生器與接收器之間的距離由相對遠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，因此可以達到定性演示水波的多普勒效應的目的.

4.2 實驗效果

實驗現(xiàn)象如圖4和圖5所示，其中圖4(a)、(b)、(c)分別為波源由遠處靠近接收器再遠離接收器時的實驗現(xiàn)象，由圖可看出，波數(shù)相應由疏變密再變疏，換相對較大的接收器，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的實驗現(xiàn)象

圖5 用大的水波接收器進行實驗的實驗現(xiàn)象

5 實驗演示儀的創(chuàng)新點及其優(yōu)點

創(chuàng)新點：可以通過改變通過小馬達的電流來改變小馬達轉動的頻率，進而控制單位時間內產(chǎn)生水波數(shù)目的多少，即實現(xiàn)水波數(shù)目的可控化，以達到最好的實驗效果.

優(yōu)點：該演示儀主要由4部分組成，分別是手機的頻閃光源、小馬達驅動的水波源、水槽、電源.這些實驗器材簡單易得、成本較低，可視度高，操作性強，便于在課堂上演示實驗來引導學生對多普勒效應的進一步理解和掌握.對教師而言是一種適合教學的演示多普勒效應原理的教學儀器，對學生而言是利于動手探究多普勒效應的實驗裝置.

1 梁佩瑩,梁澤匯,李成龍,等. 基于多普勒效應的水波特性實驗裝置的設計. 大學物理,2016(09):20～23

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

3 邱寧. 多普勒效應演示器. 大學物理,2000(06):44～45

4 蘇立乾. 《多普勒效應》教學設計.教育教學論壇,2014(25):281～282,275

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