巧用發(fā)音齒輪模擬多普勒效應(yīng)

◆霍金勝

作者：霍金勝，天水市第二中學(xué)（741020）。

1 中學(xué)物理教學(xué)中缺少多普勒效應(yīng)實(shí)驗(yàn)儀器

在中學(xué)物理多普勒效應(yīng)教學(xué)中，沒(méi)有與之配套的實(shí)驗(yàn)儀器。為了說(shuō)明多普勒效應(yīng)原理，現(xiàn)行教材引入教師數(shù)學(xué)生人數(shù)案例：一隊(duì)學(xué)生從教師旁邊經(jīng)過(guò)，如果教師保持靜止，某段時(shí)間內(nèi)有n個(gè)學(xué)生從教師旁邊通過(guò)，那么當(dāng)教師與學(xué)生相反方向行走時(shí)，相同時(shí)間內(nèi)從教師旁邊通過(guò)的學(xué)生數(shù)就會(huì)多于n個(gè)；如果教師與學(xué)生相同方向行走（教師行走速度要小于學(xué)生行走速度），同樣時(shí)間內(nèi)從教師旁邊通過(guò)的學(xué)生人數(shù)就會(huì)少于n個(gè)。把波與觀察者關(guān)系與此案例相類(lèi)比，一隊(duì)運(yùn)動(dòng)的學(xué)生就象一列傳播的波，教師就是觀察者：如果觀察者相對(duì)波源靜止，觀察者接收到的波頻率是f；如果觀察者向著波源方向運(yùn)動(dòng)，則相同的時(shí)間觀察者接收到的波的個(gè)數(shù)就會(huì)增多，觀察者接收到的波的頻率就會(huì)大于f；如果觀察者離開(kāi)波源運(yùn)動(dòng)，則單位時(shí)間內(nèi)觀察者接收到波的個(gè)數(shù)就會(huì)減小，觀察者接收到的波的頻率就會(huì)小于。

該實(shí)例通俗易懂，但由于缺少直觀性，學(xué)生仍然感覺(jué)到難以理解，教學(xué)效果仍不理想。為了讓學(xué)生更直觀地理解多普勒效應(yīng)，筆者用中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的發(fā)音齒輪與離心轉(zhuǎn)臺(tái)組合制成多普勒效應(yīng)模擬演示器。

2 自制儀器的原理

該儀器利用發(fā)音齒輪與振片相碰引起振片振動(dòng)而發(fā)出聲音原理，讓發(fā)音齒輪勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，振片不動(dòng)，振片發(fā)出的聲音頻率為f；如果發(fā)音齒輪勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)振片與發(fā)音齒輪相同方向運(yùn)動(dòng)，此時(shí)振片發(fā)出的聲音頻率就會(huì)小于f，相似于觀察者與波傳播相同方向運(yùn)動(dòng)時(shí)，觀察者接收到的波的頻率變小；如果發(fā)音齒輪勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，振片運(yùn)動(dòng)方向與發(fā)音齒輪運(yùn)動(dòng)方向相反，則振片發(fā)出的聲音的頻率就會(huì)大于f，相似于觀察者與波傳播相反方向運(yùn)動(dòng)時(shí)，觀察者接收到的波的頻率變大。

3 儀器組裝制作

3.1 發(fā)音齒輪的組裝

取中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)室常用發(fā)音齒輪一個(gè)，打開(kāi)固定螺母，只留下齒數(shù)最多的齒輪（每圈80齒），然后固定。

3.2 鐵絲架制作

取一段長(zhǎng)約30 cm的8#鐵絲，在一端折一個(gè)比發(fā)音齒輪軸稍大的圓環(huán)，另一端彎曲成“U”字形，將鐵絲環(huán)套在發(fā)音齒輪軸上能夠靈活轉(zhuǎn)動(dòng)，見(jiàn)圖1。

圖1

3.3 振片的制作與調(diào)試

振片用紙片制作，大小約為4 cm×6 cm，厚度約為3 mm。紙片要求硬度適宜，與發(fā)音齒輪相碰能發(fā)出比較響亮的聲音。把紙片用市售的鐵夾子固定在鐵絲架上，如圖2所示。

圖2

3.4 儀器組裝與調(diào)試

用中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)室的離心轉(zhuǎn)臺(tái)帶動(dòng)發(fā)音齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，將發(fā)音齒輪固定在離心轉(zhuǎn)臺(tái)上，反復(fù)調(diào)試，要使離心轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，發(fā)音齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)平穩(wěn)，避免發(fā)音齒輪擺動(dòng)，影響實(shí)驗(yàn)效果；把固定好紙片的鐵絲架套在發(fā)音齒輪輪軸上。反復(fù)調(diào)試紙片與發(fā)音齒輪距離，使紙片與發(fā)音齒輪接觸，當(dāng)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，紙片發(fā)出聲音響亮為好。在各轉(zhuǎn)動(dòng)部位滴少許潤(rùn)滑油以減小摩擦。

4 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

4.1 復(fù)習(xí)音調(diào)與紙片振動(dòng)的關(guān)系

教師用一只手夾住鐵絲架使其靜止，另一只手搖動(dòng)離心轉(zhuǎn)臺(tái)，讓發(fā)音齒輪從靜止開(kāi)始加速轉(zhuǎn)動(dòng)，讓學(xué)生判斷紙片發(fā)出聲音有何變化？引導(dǎo)學(xué)生分析得出結(jié)論：發(fā)音齒輪每轉(zhuǎn)過(guò)一齒，紙片振動(dòng)一次，發(fā)音齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)角速度越大，紙片振動(dòng)頻率越高，音調(diào)越高。說(shuō)明音調(diào)的高低由紙片振動(dòng)頻率高低決定。

4.2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

讓一名學(xué)生搖動(dòng)離心轉(zhuǎn)臺(tái)使發(fā)音齒輪勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，發(fā)音齒輪轉(zhuǎn)速控制在2～4 r/s，此時(shí)紙片發(fā)出的聲音頻率為160～320 Hz。教師先用手夾住鐵絲架使其靜止，離心轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)發(fā)音齒輪勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，振片發(fā)出振動(dòng)聲音，讓學(xué)生記住聲音音調(diào)。讓發(fā)音齒輪勻速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，教師用手使鐵絲架與發(fā)音齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)的相反方向轉(zhuǎn)動(dòng)（轉(zhuǎn)數(shù)控制在發(fā)音齒輪轉(zhuǎn)數(shù)的1/3左右），讓學(xué)生細(xì)心感受并分析音調(diào)變化。讓發(fā)音齒輪勻速轉(zhuǎn)動(dòng)，教師用手使鐵絲架與發(fā)音齒輪相同方向轉(zhuǎn)動(dòng)，讓學(xué)生再分析音調(diào)變化。

4.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)論

發(fā)音齒輪相當(dāng)于聲源，紙片相當(dāng)于觀察者。當(dāng)鐵絲架帶動(dòng)紙片與發(fā)音齒輪相反方向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，相當(dāng)于觀察者與波源運(yùn)動(dòng)的方向相反，單位時(shí)間通過(guò)紙片的齒輪齒數(shù)增多，紙片振動(dòng)頻率增大，紙片振動(dòng)發(fā)出聲音的音調(diào)變高，說(shuō)明當(dāng)觀察者向著聲源方向運(yùn)動(dòng)時(shí)，觀察者接收到的聲波頻率增大。當(dāng)鐵絲架轉(zhuǎn)動(dòng)方向與發(fā)音齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)的方向相同時(shí)，相當(dāng)于觀察者與波傳播的方向相同，單位時(shí)間通過(guò)紙片的齒輪齒數(shù)減少，紙片振動(dòng)的頻率減小，紙片發(fā)出的聲音音調(diào)變低，說(shuō)明當(dāng)觀察者與波運(yùn)動(dòng)的方向相同時(shí)，觀察者接收到的聲波頻率減小。由此得出多普勒現(xiàn)象的結(jié)論。

5 教學(xué)效果分析

該設(shè)備利用中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有儀器改裝而成，制作簡(jiǎn)單容易，一般教師不到10分鐘就可以改制成功。

在具體的實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)教師改變鐵絲架的轉(zhuǎn)動(dòng)方向時(shí)，就會(huì)聽(tīng)到紙片發(fā)出的聲音音調(diào)明顯變化，實(shí)驗(yàn)效果十分明顯，直觀性很強(qiáng)，學(xué)生理想深刻，教學(xué)效果較好。該設(shè)備填補(bǔ)了中學(xué)物理多普勒效應(yīng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的空白。