創(chuàng)設(shè)實驗進(jìn)行多普勒效應(yīng)教學(xué)的探究

楊傳綠

摘 要 本文主要介紹了在《多普勒效應(yīng)》這節(jié)課的物理教學(xué)中，利用設(shè)計的三個演示實驗“聲調(diào)與聲音頻率的關(guān)系、利用發(fā)波水槽觀測水波的多普勒效應(yīng)、傳感器觀測多普勒效應(yīng)”實現(xiàn)了對原有教學(xué)的突破，在“聽”的基礎(chǔ)上更增加了“看”這一有效的認(rèn)知途徑，提高課堂教學(xué)的有效性的做法與體會。

關(guān)鍵詞 多普勒效應(yīng) 演示實驗 有效性

中圖分類號：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1002-7661（2015）22-0011-02

《多普勒效應(yīng)》這節(jié)課中，教學(xué)目的是讓學(xué)生了解多普勒效應(yīng)這種現(xiàn)象，能運用多普勒效應(yīng)解釋一些物理現(xiàn)象。平常的教學(xué)一般都采用理論講解，應(yīng)用動畫輔助演示，再加上列舉一些生活實例來告訴學(xué)生們，當(dāng)波源與觀察者之間有相對運動時，觀察者接收到的頻率發(fā)生了改變的這種現(xiàn)象叫做多普勒效應(yīng)。經(jīng)過教學(xué)實踐發(fā)現(xiàn)，這樣進(jìn)行本課的教學(xué)，學(xué)生只能機械、被動地記住這個結(jié)論，而對多普勒效應(yīng)的理解存在著不小的困難。為了更加生動、直觀地幫助學(xué)生理解這個物理規(guī)律，在實際教學(xué)中，我設(shè)計了下面三個演示實驗。

[實驗一]聲調(diào)與聲音頻率的關(guān)系

教材中的引入事例說到，火車鳴笛呼嘯通過觀察者，火車靠近時，聽到的汽笛聲音調(diào)變高（尖銳），火車遠(yuǎn)離時，聽到的汽笛聲音調(diào)變低（平緩）。通過這個事例的視頻展示，可以讓學(xué)生清楚察覺到波源和觀察者距離變化時，聽到的聲音音調(diào)的變化，但是對于音調(diào)與聲音頻率的關(guān)系卻沒辦法直接得出。下面的實驗可以解決這一問題。

實驗器材：音頻發(fā)生器、有源音箱。

實驗過程：利用一個音頻發(fā)生器連接一對有源音箱，進(jìn)行聲音輸出。調(diào)節(jié)音頻發(fā)生器的的頻率大小，讓學(xué)生聽聲音音調(diào)的變化。調(diào)節(jié)300Hz、600Hz、900Hz、1600Hz左右等任意幾種聲音頻率，讓學(xué)生感受不同的聲音頻率對應(yīng)的不同的聲音音調(diào)，再用微調(diào)旋鈕連續(xù)調(diào)節(jié)聲音頻率從低到高，再從高到低，讓學(xué)生直觀地了解到“聲音的音調(diào)由聲音的頻率所決定”，從而為學(xué)生理解聲音的多普勒效應(yīng)掃清了障礙。

[實驗二]利用發(fā)波水槽觀測水波的多普勒效應(yīng)

觀察者不動，波源運動時，波源一邊的波紋間距變小，另外一邊的波紋間距變大，教學(xué)中一般用來分析多普勒效應(yīng)中觀察者頻率發(fā)生變化的成因。在分析過程中，傳統(tǒng)教學(xué)一般都通過在黑板上畫圖分析，或者借助Flash動畫，以模擬仿真的手段展示多普勒現(xiàn)象的形成機理，彌補傳統(tǒng)教學(xué)在直觀感和動感方面的不足。但是動畫的模擬演示畢竟比不上真正的實驗，教學(xué)中可以借助發(fā)波水槽的水波演示實驗?zāi)M聲波的多普勒效應(yīng)，讓學(xué)生真正“看得見”這一物理現(xiàn)象，使得直觀感、立體感更加強烈。

實驗器材：發(fā)波水槽、電磁振動器、長條的透明玻璃板、學(xué)生電源、導(dǎo)線若干。

實驗過程：

1.發(fā)波水槽中注入清水，一般控制水的深度在5mm-8mm左右。在水槽的一邊架上長條的透明玻璃板作為滑軌，上面放置電磁振動器。

2.連接相關(guān)電路，用低頻交流電驅(qū)動電磁振動器，調(diào)節(jié)振動器的振動頻率，使得電磁振動器在水中打出的圓形水波紋清晰、穩(wěn)定。

3.在透明玻璃板上向左或向右移動電磁振動器，盡可能保持勻速移動，讓學(xué)生觀察水波紋的變化。

可以看到當(dāng)電磁振動器向右移動時，波源右邊的條紋變密，左邊的條紋變疏；電磁振動器向左移動，情況與之相反。

注：①這個實驗的現(xiàn)象可以直接通過儀器前端的顯示屏投影顯示，或者加裝攝像頭連接電腦投影到大屏幕上，效果都非常明顯。

②移動電磁振動器這個波源的時候速度不要太快，為了能夠平滑移動，避免產(chǎn)生的不必要的振動影響了實驗效果，可以在透明玻璃板上適當(dāng)涂抹些潤滑油，或者把電磁振動器固定在小車上，通過小車的移動來控制充當(dāng)波源的電磁振動器的運動。

學(xué)生對波這一概念的理解最直接的感受是來自于水波，而這個演示實驗正是利用了水波來模擬聲波的多普勒效應(yīng)，呈現(xiàn)的現(xiàn)象生動直觀，使得學(xué)生在理解上更加順暢。在實際的教學(xué)中，學(xué)生對這演示實驗的興趣很高，同時這一演示實驗也降低了學(xué)生對新知識的理解難度，并且拓寬了學(xué)生的思路。

[實驗三]傳感器觀測多普勒效應(yīng)

上一個實驗設(shè)計可以讓學(xué)生清楚地看到用來模擬聲波的水波的多普勒效應(yīng)：波源靠近觀察者時，波紋變密集；波源遠(yuǎn)離觀察者時，波紋變稀疏。借助傳感器，還可以實現(xiàn)多普勒效應(yīng)的更加準(zhǔn)確的觀測。

實驗器材：朗威數(shù)據(jù)采集器、聲音傳感器、音叉、橡膠錘、安裝朗威DIS軟件的電腦、滑軌、小車、蜂鳴器、5號電池和電線若干。

1.依次連接好數(shù)據(jù)采集器、聲音傳感器、電腦，進(jìn)行初步設(shè)置，并打開DIS5.0通用軟件，進(jìn)行調(diào)試，確保聲音傳感器正常工作，軟件能正確采集到聲波信號。

2.用橡膠錘敲擊音叉，聲音傳感器接收信號，選擇合適的采樣頻率，把電腦上DIS軟件所采集到的波形圖投影到大屏幕進(jìn)行觀察。

3.讓音叉靠近聲音傳感器，觀察靠近的過程中采集到的波形圖發(fā)生的變化。可以看到波形圖中正（余）弦波的周期變小，即頻率變大。遠(yuǎn)離時情況相反。

4.截取波形圖的一段，用鼠標(biāo)確定一個周期的的波形圖，讀出聲源靜止以及聲源移動時周期的數(shù)值變化。

注：①本實驗中采用的聲源所發(fā)出的是人耳能聽得到的聲波，頻率比較低，聲音傳感器接收到的信號比較容易受到外界聲音的干擾，所以一個相對安靜些的環(huán)境，并且在電腦上事先調(diào)節(jié)聲音傳感器采集的頻率大小，使采集的信號頻率段接近音叉的聲音頻率，呈現(xiàn)出來的波形就能非常接近正（余）弦波形。

②可以用蜂鳴器代替音叉作為波源，由于體積更加小巧，可以安放在小車上，讓小車從滑軌上滑下，用聲音傳感器采集聲音的信號，觀察波形的變化。

這一實驗不僅可以實現(xiàn)多普勒效應(yīng)的定性演示，還能進(jìn)一步對聲源移動時接收頻率（周期）的大小做出定量測量。學(xué)生也能課堂上觸類旁通，認(rèn)識到多普勒測速儀正是這一實驗的現(xiàn)實推廣應(yīng)用。

通過以上三個實驗的演示，一方面可以很好的展示多普勒效應(yīng)現(xiàn)象，另一方面可以有效降低學(xué)生學(xué)習(xí)的難度，在“聽”的基礎(chǔ)上更增加了“看”這一有效的認(rèn)知途徑，激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣。整節(jié)課的教學(xué)借助實驗使學(xué)生的觀察和思維活動緊密地結(jié)合，對多普勒效應(yīng)形成了清晰的認(rèn)識，獲得了很好的教學(xué)效果，提高了教學(xué)的有效性。

（責(zé)任編輯 李 翔）