多普勒效應(yīng)實驗130826

1、1多普勒效應(yīng)綜合實驗多普勒效應(yīng)綜合實驗【引言】【引言】當(dāng)波源和接收器之間有相對運動時，接收器接收到的波的頻率與波源發(fā)出的頻率不同的現(xiàn)象稱為多普勒效應(yīng)。多普勒效應(yīng)在科學(xué)研究，工程技術(shù)，交通管理，醫(yī)療診斷等各方面都有十分廣泛的應(yīng)用。例如：原子，分子和離子由于熱運動使其發(fā)射和吸收的光譜線變寬，稱為多普勒增寬，在天體物理和受控?zé)岷司圩儗嶒炑b置中，光譜線的多普勒增寬已成為一種分析恒星大氣及等離子體物理狀態(tài)的重要測量和診斷手段?；诙嗥绽招?yīng)原理的

2、雷達(dá)系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于導(dǎo)彈，衛(wèi)星，車輛等運動目標(biāo)速度的監(jiān)測。在醫(yī)學(xué)上利用超聲波的多普勒效應(yīng)來檢查人體內(nèi)臟的活動情況，血液的流速等。電磁波（光波）與聲波（超聲波）的多普勒效應(yīng)原理是一致的。本實驗既可研究驗證超聲波的多普勒效應(yīng)，并計算聲速，又可利用多普勒效應(yīng)將超聲探頭作為運動傳感器，研究物體的運動狀態(tài)。【實驗?zāi)康摹俊緦嶒災(zāi)康摹?、測量超聲接收器運動速度與接收頻率之間的關(guān)系，驗證多普勒效應(yīng)，并由fV關(guān)系直線的斜率求聲速。2、利用多普勒效應(yīng)測量物

3、體運動過程中多個時間點的速度，查看Vt關(guān)系曲線，或調(diào)閱有關(guān)測量數(shù)據(jù)，即可得出物體在運動過程中的速度變化情況，可研究：（1）自由落體運動，并由Vt關(guān)系直線的斜率求重力加速度。（2）簡諧振動，可測量簡諧振動的周期等參數(shù)，并與理論值比較。（3）勻加速直線運動，測量力、質(zhì)量與加速度之間的關(guān)系，驗證牛頓第二定律。（4）其它變速直線運動?！緦嶒炘怼俊緦嶒炘怼?、超聲的多普勒效應(yīng)當(dāng)聲源與接收器之間有相對運動時，接收器接收到的頻率f為：（1）221

4、10coscos??VuVuff???式中f0為聲源發(fā)射頻率，u為聲速，V1為接收器運動速率，α1為聲源接收器連線與接收器運動方向之間的夾角，V2為聲源運動速率，α2為聲源接收器連線與聲源運動方向之間的夾角（如圖1）。若聲源保持不動，運動物體上的接收器沿聲源與接收器連線方向（=0）以速度V運動，則從（1）式?可得接收器接收到的頻率應(yīng)為：（2）VuffuVff0001???????????當(dāng)接收器向著聲源運動時，V取正，反之取負(fù)。若f0保

5、持不變，用光電門測量物體的運動速度V，并由儀器對接收器接收到的頻率f自動計數(shù)，根據(jù)（2）式，作fV關(guān)系圖，若為直線，即可直觀驗證多普勒效應(yīng)，且由實驗測量點作直線，其斜率應(yīng)為k=f0u，由此可計算出聲速u=f0k。由（2）式可解出：（3）??????????10ffuV聲源接收器f0V1uf圖1超聲的多普勒效應(yīng)示意圖V2超聲的多普勒效應(yīng)示意a2超聲的多普勒效應(yīng)示意a1超聲的多普勒效應(yīng)示意35只LED燈閃爍電機(jī)控制器運轉(zhuǎn)受阻（如：傳送帶安裝

6、過緊、外力阻礙小車運動），控制器進(jìn)入保護(hù)狀態(tài)排除外在受阻因素，手動滑動小車到控制器位置，恢復(fù)正常使用【實驗內(nèi)容】【實驗內(nèi)容】一、驗證多普勒效應(yīng)并由測量數(shù)據(jù)計算聲速一、驗證多普勒效應(yīng)并由測量數(shù)據(jù)計算聲速讓小車以不同速度通過光電門，儀器自動記錄小車通過光電門時的平均運動速度及與之對應(yīng)的平均接收頻率。由儀器顯示的fV關(guān)系圖可看出速度與頻率的關(guān)系，若測量點成直線，符合（2）式描述的規(guī)律，即直觀驗證了多普勒效應(yīng)。用作圖法或線性回歸法計算fV直線的

7、斜率k，由k計算聲速u并與聲速的理論值u0比較，計算其百分誤差。1、儀器安裝如圖3所示。所有需固定的附件均安裝在導(dǎo)軌上，將小車置于導(dǎo)軌上，使其能沿導(dǎo)軌自由滑動，此時，水平超聲波發(fā)射器、超聲波接收器及紅外發(fā)射組件（已固定在小車上）、紅外接收器在同一軸線上。將組件電纜接入實驗儀的對應(yīng)接口上。安裝完畢后，通過連接線給小車上的傳感器充電，第一次充電時間約6～8秒，充滿后(儀器面板充電燈變黃色或紅色)可以持續(xù)使用4～5分鐘。充電完成后連接線從小車

8、上取下，以免影響小車運動。實驗前須調(diào)好皮帶松緊度，否則實驗將無法進(jìn)行。皮帶的松緊度，直接影響小車在導(dǎo)軌上運動的質(zhì)量：皮帶過松，小車前進(jìn)距離很不正常，因為帶動皮帶的主動能與皮帶之間打滑，小車自動返回后與控制器存在碰撞，有時候會出現(xiàn)較為劇烈的碰撞；當(dāng)皮帶過緊時小車前進(jìn)速度較慢，也出現(xiàn)小車前進(jìn)距離較近，小車后退時，運動吃力，容易使控制器進(jìn)入保護(hù)狀態(tài)，出現(xiàn)5個發(fā)光二極管閃爍，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動，此時手動滑動小車到控制器位置，恢復(fù)正常使用。小車自動后退

9、完成后，小車車體后端磁鋼距離控制器表面應(yīng)在115mm之間。如果不是這個距離，應(yīng)調(diào)節(jié)皮帶松緊度后，再做實驗。注意事項：注意事項：（1）安裝時要盡量保證紅外接收器、小車上的紅外發(fā)射器和超聲接收器、超聲發(fā)射器三者之間在同一軸線上，以保證信號傳輸良好；（2）安裝時不可擠壓連接電纜，以免導(dǎo)線折斷；（3）小車不使用時應(yīng)立放，避免小車滾輪沾上污物，影響實驗進(jìn)行。圖3實驗裝置示意圖2、測量準(zhǔn)備實驗儀開機(jī)后，首先要求輸入室溫。因為計算物體運動速度時要代入