水滴激發(fā)式多普勒效應(yīng)演示器的研究

項(xiàng)目由來(lái)

在物理教學(xué)中，多普勒效應(yīng)多用聲波、光波演示，教具復(fù)雜。而利用水波演示多普勒效應(yīng)，簡(jiǎn)便實(shí)用。我受輸液滴管啟發(fā)，研究設(shè)計(jì)了水滴激發(fā)式多普勒效應(yīng)演示器，通過(guò)紅光、藍(lán)光光源使水波波紋帶顏色，用輸液管調(diào)節(jié)水滴，利用水滴代替機(jī)械振子，激發(fā)水波作為波源。移動(dòng)水滴激發(fā)器，可以觀察波形變化。同時(shí)還可以演示水波的干涉、衍射現(xiàn)象。

研制過(guò)程

初期設(shè)計(jì)是利用滴管水波槽演示水波干涉、衍射現(xiàn)象，由于演示效果差，后加入紅藍(lán)燈頻閃，使水波帶顏色。在移動(dòng)波源時(shí)，發(fā)現(xiàn)用這個(gè)方法演示多普勒效應(yīng)更有意義。我在研制過(guò)程中采用了以下科學(xué)方法：

一是采用逆向思維。改變靠電子振子產(chǎn)生水波的傳統(tǒng)做法，直接利用水滴產(chǎn)生水波。二是利用側(cè)向思維。為保證演示效果，采用紅藍(lán)頻閃燈，頻閃與波紋同頻，使波紋彩色立體。三是組合發(fā)明。演示器既可以通過(guò)水波波紋變化演示多普勒效應(yīng)，又可以演示干涉、衍射現(xiàn)象。

演示器簡(jiǎn)介

水滴激發(fā)器

我們用輸液管制成水滴激發(fā)器，把激發(fā)器掛在鐵架臺(tái)上，調(diào)節(jié)激發(fā)器滴水速度，利用水滴代替?zhèn)鹘y(tǒng)機(jī)械振子，激發(fā)水波作為波源。利用水滴開(kāi)始下落時(shí)距離水面的高度控制振幅。同時(shí)，設(shè)計(jì)相應(yīng)電路，用小鐵片作為振子，與頻閃燈同頻振動(dòng)。

頻閃器

在水波槽上方放置藍(lán)色發(fā)光二極管和紅色發(fā)光二極管，用高亮度紅藍(lán)燈頻閃，調(diào)整電路，使閃光與遮光時(shí)間比設(shè)為1：5，調(diào)整波形振幅與燈光閃頻同步，使波形看起來(lái)清晰穩(wěn)定，見(jiàn)圖l。

消波水槽

水槽是長(zhǎng)48cm、寬48cm、高5cm的正方形有機(jī)板槽，四周有斜面。底層鋪有黑色絨布，上方墊有白色有機(jī)板，可有效消除波的反射回光，使彩色波紋更加清晰。槽中還設(shè)置了障屏，可以演示波的反射現(xiàn)象、衍射現(xiàn)象和干涉現(xiàn)象。

電動(dòng)軌道

電源部分：采用市場(chǎng)上現(xiàn)有的開(kāi)關(guān)電源，將市電交流220V電壓轉(zhuǎn)換為直流24V電壓，為整個(gè)系統(tǒng)提供電源。

步進(jìn)電機(jī)控制驅(qū)動(dòng)器：此部件起控制和驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的作用?？刂破鬏敵龅目刂泼}沖速度決定了步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，可通過(guò)調(diào)節(jié)脈沖速度電位器實(shí)現(xiàn)輸出脈沖速度的調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。通過(guò)對(duì)控制器方向控制端提供24V直流電（通過(guò)方向控制按鈕實(shí)現(xiàn)）對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行方向調(diào)節(jié)。

步進(jìn)電機(jī)和絲杠組件：步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)，絲杠通過(guò)與其配合的絲杠螺母（位于運(yùn)動(dòng)平臺(tái)中）將轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為直線運(yùn)動(dòng)。這種組合易于控制，并且可以精確地控制運(yùn)動(dòng)的速度和距離。絲杠螺母機(jī)構(gòu)的直線運(yùn)動(dòng)速度與步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速成正比，其運(yùn)動(dòng)方向由電機(jī)的正、反向轉(zhuǎn)動(dòng)直接控制。

實(shí)驗(yàn)演示

在水槽中加入水，調(diào)整水滴激發(fā)器高度，調(diào)節(jié)滴水速度；從水面上方放置紅藍(lán)燈，接通電源，調(diào)節(jié)頻閃光源頻率，直至可以看到清晰穩(wěn)定水波。

激發(fā)器靜止時(shí)，可以看到波形是同心圓，可以觀察到頻率與波形線條疏密關(guān)系：頻率快，波長(zhǎng)短，波形密，傳播速度快；頻率慢，波長(zhǎng)長(zhǎng)，波形疏，傳播速度慢。

移動(dòng)水滴激發(fā)器，可以看到多普勒效應(yīng)圖樣。向靠近觀察者的方向移動(dòng)，波形密；向遠(yuǎn)離觀察者的方向移動(dòng)，波形疏。移動(dòng)速度快，波形變化大，波紋密；移動(dòng)速度慢，波形變化小，波形疏。

如圖2所示，當(dāng)波源移動(dòng)的速率小于水波傳遞的速率時(shí)，觀察者1看到的頻率變高，觀察者2看到的頻率變低；若是波源移動(dòng)的速率等于水波傳遞的速率時(shí)，則會(huì)產(chǎn)生音障，觀察者1看到的是頻率變低，而觀察者2則會(huì)“聽(tīng)”到音爆現(xiàn)象；當(dāng)波源移動(dòng)的速度大于波本身的速度時(shí)，會(huì)形成圓錐形的波前，所有的波同時(shí)抵達(dá)最前方的波前上，于是波相疊加，而形成震波。觀察者2看到頻率變低，而觀察者1先看到波源移走，隨后才“聽(tīng)”到音爆。

用雙水滴作為雙振源，可以看到水波干涉現(xiàn)象。用單水滴作為單振源，放置2個(gè)或3個(gè)障屏可以演示衍射現(xiàn)象。

作品創(chuàng)新點(diǎn)

用輸液管調(diào)節(jié)水滴，利用水滴代替機(jī)械振子，激發(fā)水波作為波源，利用水滴下落高度控制振幅，移動(dòng)水滴激發(fā)器，可以方便地看到多普勒效應(yīng)圖像。

傳統(tǒng)水波演示的是水波投影，是黑白條紋；本裝置演示的是直觀的水波，是立體波形。

傳統(tǒng)水波演示是透明的，只能看出水面反射光強(qiáng)弱，對(duì)比度不大；我們用高亮度藍(lán)色或紅色發(fā)光二極管從水面上方照射，使水波帶顏色，增強(qiáng)立體感。使波輪廓增強(qiáng)，增加視覺(jué)清晰度。用紅藍(lán)燈頻閃，占空時(shí)間比1：5，使波紋穩(wěn)定不動(dòng)。

利用消波水槽，四邊斜面鋪有布料，解決消波問(wèn)題，有效解決波的反射回光，不會(huì)干擾波形；底層放置白色有機(jī)板，增加紅藍(lán)波的清晰度。

該項(xiàng)目獲得第30屆全國(guó)青少年科技創(chuàng)新大賽創(chuàng)新成果競(jìng)賽項(xiàng)目中學(xué)組物理學(xué)一等獎(jiǎng)。

專(zhuān)家評(píng)語(yǔ)

該項(xiàng)目巧妙地利用水滴激發(fā)，通過(guò)移動(dòng)水滴，觀察水滴引起的水波條紋變化演示多普勒效應(yīng)，同時(shí)，加入攝像頭模擬波源與觀察者之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，直觀又簡(jiǎn)單。如能提高觀測(cè)時(shí)的對(duì)比度與清晰度，使之更為明顯易于觀察就更好了。