黃嘉林 周紋因

摘 ? 要：文章利用單片機制作了一款可以定量探究超聲波多普勒效應的裝置，可以將此裝置用于實際的教學活動中。

關(guān)鍵詞：多普勒效應;超聲波;定量探究;單片機

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A ? ?文章編號：1003-6148（2019）11-0051-2

2017年版《普通高中物理課程標準》對《多普勒效應》一節(jié)提出的內(nèi)容要求有：“通過實驗，認識多普勒效應?！苯處熢谡n堂上演示多普勒效應多數(shù)采用定性的分析，例如，用運動的蜂鳴器或音叉讓學生感受聲音的變化。但是，學生定性地感覺音調(diào)變化有時候現(xiàn)象并不明顯。筆者用超聲波作為波源，制作了可以定量探究多普勒效應的裝置。

1 ? ?實驗原理

當波源與觀察者相互遠離或靠近的過程中，觀察者接收到的頻率會與波源的頻率不同，這種現(xiàn)象稱為多普勒效應，其定量關(guān)系如下[1]：

其中，f'為觀察者接收到的頻率，f為波源的頻率，u為聲速， v 為觀察者的運動速度， v 為波源的速度。

2 ? ?超聲波多普勒效應演示儀的制作與操作

超聲波多普勒效應演示儀的結(jié)構(gòu)如圖1、圖2所示，基本的原理是：超聲波發(fā)射頭發(fā)出固定頻率的超聲波，超聲波接收頭接收超聲波的信號，利用單片機對信號處理，接收到的超聲波信號頻率將會顯示在數(shù)碼管上。

2.1 ? ?材料

信號發(fā)生器模塊（3000～4000 kHz）、功放、超聲波收發(fā)頭、八位數(shù)碼管模塊、電池、單片機、導軌、軸承。

2.2 ? ?制作過程

按圖3連接好模塊，在導軌上安裝超聲波發(fā)射頭和超聲波接收頭，讓超聲波發(fā)射頭和超聲波接收頭可以在導軌上運動（圖4）。

3 ? ?實驗步驟

1.接通裝置的電源，調(diào)試無誤后可以開始演示。

2.選取固定頻率的超聲波發(fā)射源，這里選取的是39 004 Hz，在導軌上讓超聲波發(fā)射頭、接收頭處于相對靜止或相對運動的狀態(tài)，可以記錄顯示屏上超聲波接收頭的讀數(shù)。

（1）當觀察者與波源都靜止的時候，觀察者接收到的頻率不變。

（2）當觀察者靜止，波源靠近觀察者的時候，觀察者接收到的頻率變高。

（3）當觀察者靜止，波源遠離觀察者的時候，觀察者接收到的頻率變低（圖5）。

實驗探究的過程中，可以改變不同的實驗條件，測得的數(shù)據(jù)如表1。

由實驗測量可以觀察到利用該裝置可以探究多普勒效應的現(xiàn)象。

4 ? ?超聲波多普勒效應演示儀的優(yōu)點

4.1 ? ?可以實現(xiàn)定量探究多普勒效應

目前關(guān)于多普勒效應的實驗，大多都是運用蜂鳴器或音叉的定性實驗，少數(shù)關(guān)于聲音的多普勒效應的現(xiàn)象也并不是太明顯。本實驗裝置用超聲波作為波源，可以更加直觀、明顯地定量探究多普勒效應的現(xiàn)象。

4.2 ? ?演示簡單，可操作性強

現(xiàn)有關(guān)于聲波多普勒效應的定量演示實驗大多比較麻煩[2]，在課堂上探究效率較低。本實驗裝置制作完成之后，只需要移動波源和觀察者，學生就可以直接在顯示屏上看到觀察者接收到的頻率的變化。

4.3 ? ?現(xiàn)象直觀、明顯，利于學生探究規(guī)律

頻率的變化直接顯示在數(shù)碼管上，方便學生觀察。同時，超聲波的發(fā)射頭及接收頭可以實現(xiàn)波源與觀察者多種不同的運動情況，讓學生可以在不同情況下充分地探究波源與觀察者相對運動過程中觀察者接收到的頻率變化。

4.4 ? ?改進性強

運用多普勒效應測量運動物體的速度在日常生活中有著廣泛的應用，教師可以繼續(xù)改進本裝置的程序，將速度計算公式加入到程序當中，根據(jù)需求測量出波源或觀測者的速度，作為講解多普勒效應測速原理的應用教具。

5 ? ?結(jié) ?語

本文介紹的超聲波多普勒效應演示儀材料易得，演示方便，現(xiàn)象明顯，適用于中學物理課堂的演示實驗或探究實驗，配合課堂進行教學活動。此外，還可以作為學生課外的科技活動項目，激發(fā)學生對物理的學習興趣，培養(yǎng)學生的動手能力，拓展學生對知識的理解和應用。

參考文獻：

[1]漆安慎，杜嬋英.普通物理學教程（力學）[M].北京：高等教育出版社，2012：355-358.

[2]吳月江，汪維澄，劉彬生.演示多普勒效應的幾種實驗方法[J].教學儀器與實驗，2006（10）：16-20.

（欄目編輯 ? ?王柏廬）