多普勒效應(yīng)演示儀的設(shè)計(jì)與探討

趙婷婷,周 杰,武志雄,王 萌,田海川

（太原工業(yè)學(xué)院理學(xué)系,山西太原 030008）

多普勒效應(yīng)是生活中一種常見的現(xiàn)象，在講解多普勒效應(yīng)公式時(shí)，涉及到波源的運(yùn)動(dòng)和接收者的運(yùn)動(dòng)情況，知識(shí)相對(duì)抽象。教師若不配合相應(yīng)的教具來(lái)輔助教學(xué)的話，學(xué)生便不能全面理解公式的含義[1]。在物理演示實(shí)驗(yàn)中，大多通過(guò)水波的波動(dòng)來(lái)演示多普勒效應(yīng)，在開拓學(xué)生眼界的同時(shí)加深學(xué)生對(duì)該效應(yīng)的理解和掌握，從而激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)物理的求知欲望。但在教學(xué)中發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有技術(shù)中的裝置大多結(jié)構(gòu)繁瑣，操作復(fù)雜，不易于學(xué)生親自操作，而且儀器制作和生產(chǎn)成本較高，導(dǎo)致教學(xué)經(jīng)費(fèi)過(guò)高，不利于教學(xué)普及[2-4]。

太原工業(yè)學(xué)院物理創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)班作為教學(xué)試點(diǎn)，師生們探索了一種以主題式、研究式教學(xué)項(xiàng)目為載體的新模式，其以學(xué)生為主體，教師為主導(dǎo)的改革實(shí)踐得以順利實(shí)施。

對(duì)于多普勒效應(yīng)演示儀的上述問(wèn)題，創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)班的師生利用多普勒改革效應(yīng)原理設(shè)計(jì)了一種新型的多普勒效應(yīng)演示儀，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于生產(chǎn)和安裝，不僅易于學(xué)生操作，而且制作成本較低，更有利于普及和使用。

1 多普勒效應(yīng)原理

在公路上高速行駛的汽車?guó)Q笛迎面而來(lái)時(shí)，我們聽到的喇叭音調(diào)變高；當(dāng)汽車?guó)Q笛遠(yuǎn)離我們而去時(shí)，我們聽到的音調(diào)變低，這就是聲波的多普勒效應(yīng)。多普勒效應(yīng)不僅僅適用于聲波，它也適用于所有類型的波，包括電磁波?？茖W(xué)家愛德文·哈勃發(fā)現(xiàn)遠(yuǎn)離銀河系的天體發(fā)射的光線頻率變低，即移向光譜的紅端，稱為紅移，天體離開銀河系的速度越快紅移越大，這就是利用多普勒效應(yīng)得出宇宙正在膨脹的結(jié)論。

如果波源(或觀測(cè)者，或兩者)相對(duì)于介質(zhì)運(yùn)動(dòng)，觀測(cè)者接收到的頻率不再與波源發(fā)出的頻率相同。這種由于波源(或觀測(cè)者，或兩者)相對(duì)于介質(zhì)運(yùn)動(dòng)，而使觀測(cè)者接收到的頻率發(fā)生變化的現(xiàn)象，是多普勒(C.J.Doppler)于1842 年發(fā)現(xiàn)的，故稱為多普勒效應(yīng)。

為簡(jiǎn)便起見，假定波源和觀測(cè)者在同一直線上運(yùn)動(dòng)，波源相對(duì)于介質(zhì)的速度為vs，觀測(cè)者相對(duì)于介質(zhì)的速度為vR，波在媒質(zhì)中傳播的速度為u。波源的頻率為vS，觀測(cè)者接收到的頻率為vR，波的頻率為v。觀測(cè)者接收到的頻率為

式中，當(dāng)波源和觀測(cè)者相向運(yùn)動(dòng)時(shí)，vR和vs取正號(hào)；當(dāng)波源和觀測(cè)者相互遠(yuǎn)離時(shí)，vR和vs取負(fù)號(hào)。式(1)是機(jī)械波的縱向波源和觀測(cè)者在同一波線上運(yùn)動(dòng)的多普勒效應(yīng)公式。

2 多普勒效應(yīng)演示儀的設(shè)計(jì)

針對(duì)多普勒效應(yīng)，我們?cè)O(shè)計(jì)了一種新型的演示儀，用來(lái)輔助教學(xué)，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于生產(chǎn)和安裝，易于學(xué)生理解操作，而且制作成本較低。

設(shè)計(jì)的多普勒效應(yīng)演示儀，其結(jié)構(gòu)見圖1和圖2。

圖1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

圖2 結(jié)構(gòu)俯視圖

此多普勒效應(yīng)演示儀，主要包括玻璃箱，曲桿，滑槽，球形激發(fā)頭，頻閃燈，吸波材料等。底板上方開設(shè)有第一滑槽，在第一滑槽的內(nèi)部滑動(dòng)卡接著第一滑塊，第一滑塊的側(cè)面連接著第一螺紋桿，將第一螺紋桿與左端底板1 轉(zhuǎn)動(dòng)相連，為了使紅色頻閃燈22 便于觀察測(cè)量，我們?cè)诘装宓南路椒胖糜胁Ａ?，在玻璃箱的?nèi)壁放置有吸波層，將紅色頻閃燈固定于吸波層的內(nèi)壁上，玻璃箱底部安裝有刻度尺，用于測(cè)量波長(zhǎng)，玻璃箱的頂部裝有第二滑塊，和第二螺紋桿相連接，使用者可以通過(guò)第二螺紋桿調(diào)節(jié)玻璃箱的位置，在曲桿的右側(cè)安裝有驅(qū)動(dòng)電機(jī)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的連接有豎桿，在豎桿的底端接有球形激發(fā)頭，這樣在驅(qū)動(dòng)電機(jī)的帶動(dòng)下，豎桿和球形激發(fā)頭就可以震動(dòng)進(jìn)而帶動(dòng)玻璃箱內(nèi)部的水產(chǎn)生波紋。

在使用該多普勒效應(yīng)演示儀時(shí)，可以分別演示出單一波源運(yùn)動(dòng)，單一接收者運(yùn)動(dòng)以及二者都相對(duì)運(yùn)動(dòng)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。演示時(shí)，首先在玻璃箱中放入適量的清水，接通驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)球形激發(fā)頭震動(dòng)，進(jìn)而使得液體產(chǎn)生波動(dòng)。實(shí)驗(yàn)中將頻閃燈打開，為方便實(shí)驗(yàn)人員觀測(cè)水波波長(zhǎng)變換，可利用刻度尺讀出波長(zhǎng)值。調(diào)節(jié)第一驅(qū)動(dòng)螺紋桿使得驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)激發(fā)球運(yùn)動(dòng)，相當(dāng)于演示波源運(yùn)動(dòng)的情況；調(diào)節(jié)第二螺紋桿，使得玻璃箱運(yùn)動(dòng)，相當(dāng)于接收者運(yùn)動(dòng)的情況；同時(shí)調(diào)節(jié)第一和第二螺紋桿，使得玻璃箱和激發(fā)球相對(duì)運(yùn)動(dòng)，就可以觀察到波源和接收者同時(shí)運(yùn)動(dòng)的情況。

3 結(jié)語(yǔ)

近年來(lái)，教育部提出進(jìn)一步深化中國(guó)高等教育改革，實(shí)施質(zhì)量工程，走內(nèi)涵提升道路。太原工業(yè)學(xué)院物理創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)班正是響應(yīng)教育部的號(hào)召，以培養(yǎng)基礎(chǔ)扎實(shí)、思路開闊、實(shí)踐能力強(qiáng)、理工結(jié)合的創(chuàng)新型人才為教學(xué)目標(biāo)而創(chuàng)建的。其教學(xué)模式從傳統(tǒng)的封閉、制約、剛性向開放、激勵(lì)、彈性轉(zhuǎn)變，注重創(chuàng)新實(shí)踐。探索一種以學(xué)生為主體，教師為主導(dǎo)，以主題式、研究式教學(xué)項(xiàng)目為載體的新模式，鼓勵(lì)學(xué)生參與創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)，制作教學(xué)中的演示儀器，對(duì)現(xiàn)有儀器進(jìn)行改進(jìn)。在前期工作中，學(xué)生已完成諸如“液體表面張力系數(shù)測(cè)定儀的改進(jìn)”（2019年大創(chuàng)項(xiàng)目，國(guó)家級(jí)2019620）的探究，撰寫了相關(guān)論文。

文中所涉及的多普勒效應(yīng)可視化演示儀，是實(shí)驗(yàn)班學(xué)生在老師的輔助下，提出并設(shè)計(jì)的，整體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作易上手。