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)知識后編排的,該效應(yīng)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(yīng)的教具輔助教學(xué),學(xué)生便對其缺乏感性認(rèn)識.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.
多普勒效應(yīng)是指波源或接收器,或兩者都相對于傳波媒質(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).
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].
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).
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
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.
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
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)生對多普勒效應(yīng)的進(jìn)一步理解和掌握.對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
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