對(duì)多普勒效應(yīng)演示實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)《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(shí)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(shí)是一個(gè)好實(shí)驗(yàn)。

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筆者做了這個(gè)實(shí)驗(yàn)，學(xué)生感覺(jué)到聲音的變化十分明顯，經(jīng)過(guò)與多位同行的探討，現(xiàn)將對(duì)該演示實(shí)驗(yàn)的思考總結(jié)出來(lái)，僅供參考。

首先，實(shí)驗(yàn)中用竹竿且按圖示的軌跡旋轉(zhuǎn)，有點(diǎn)不切合實(shí)際，若按照?qǐng)D中的樣子，桿是不可能以人為軸旋轉(zhuǎn)的，如果確實(shí)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(shí)操作也較為簡(jiǎn)便，學(xué)生還感到有點(diǎn)神秘，實(shí)際效果的確不錯(cuò)。

其次，在該演示實(shí)驗(yàn)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(dòng)，該人聽(tīng)到聲音的頻率會(huì)發(fā)生變化。筆者就此問(wèn)題查閱了大量的資料，若將實(shí)驗(yàn)情景轉(zhuǎn)化為一簡(jiǎn)單物理模型，為更好地說(shuō)明問(wèn)題，先從一般情況入手，然后過(guò)渡到實(shí)驗(yàn)中的特殊情況。

如上圖所示，觀察者位于P點(diǎn)處于靜止?fàn)顟B(tài)，蜂鳴器沿逆時(shí)針繞0點(diǎn)做勻速圓周運(yùn)動(dòng)，速度大小為v，并且蜂鳴器相對(duì)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(jiàn)，當(dāng)L發(fā)生變化時(shí)，接收頻率 也隨之發(fā)生變化，而實(shí)驗(yàn)中是L=0時(shí)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(shí)，接收到的波的頻率都會(huì)發(fā)生變化”?？梢?jiàn)，實(shí)驗(yàn)中聲音的變化確實(shí)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(jué)到聲音頻率的改變了。但教師在講解時(shí)，可提醒學(xué)生，插圖中的蜂鳴器若做圓周運(yùn)動(dòng)，插圖中的人若為一質(zhì)點(diǎn)，他將不可能聽(tīng)到聲音的頻率變化。筆者認(rèn)為如果在實(shí)驗(yàn)的表述中明確說(shuō)明圖中的甲同學(xué)是在演示，旁邊的乙同學(xué)在聽(tīng)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(shí)際情況下，實(shí)驗(yàn)者也能聽(tīng)到聲音變化，這可能與運(yùn)動(dòng)軌跡不是圓形和兩耳的位置均不在圓心有關(guān)。

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