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1、HARBIN ENGINEERING UNIVERSITY物 理 演 示 实 验 报 告物理演示实验自主设计方案学 生 姓 名 学 生 学 号 选 课 时 间 4 月 26 日 15 时- 17 时 联 系 电 话 方 案 得 分 物理实验教学中心 填写说明及注意事项 一、自行设计能够演示某种物理原理或者现象的仪器或者方法。二、须逐项认真填写，填写内容必须实事求是，表达明确、严谨。三、设计方案要能很好地展示物理原理，所设计方案要求合理、可行，要具有一定的创新性和新颖性。四、A4 双面打印。五、课后 2 周内把报告交到 11 号楼 2 楼 2008 室外面王大伟老师的报告箱中。注：6 月份上课的
2、，课后 1 周内交报告。一、演示物理原理简介（可以配图说明）由于波源或观测者的运动，造成观测频率和 波源频率不同的现象，称为多普勒效应多普勒效应指出，波在波源移向观察者接近时接收频率变高，而在波源远离观察者时接收频率变低。如图所示，设声源为 S，观察者 L分别以速度 、 在静止介质中沿同一直线同向运动，声源发出声波在介质中的传播速度为 v，且 f0，观察者感到音调变高。(5)声源不动，观察者远离声源时，观察者接收到的声波频率: ，显然这时 ff0，观察者感到音调变低。二、方案实施详细技术路线（要求有配图或者照片）演示原理 ：接收器固定不动，当声源以速率 沿着与接收器的连线运动时，根据声波多普勒
3、效应公式，接收器接收到的声波频率为：接近时 ，远离时，其中 u为声速，v0 为声源频率。声强公式为， 为室温下空气密度，A 为声波振幅。若声波在传输过程中的衰减可忽略，即振幅A保持不变，则声源接近时接收器接收到声强应为，与静止相比变大了。远离时接收器接收到声强为，与静止时相比变小了。根据这一特点，并考虑到声波衰减，设计了图 1所示实验装置。声源蜂鸣器作匀速圆周运动，将麦克风放在蜂鸣器的环形路线上某点处，因此声源以最大前进速率接近和以最大后退速率远离麦克风的位置相对麦克风是对的，且由于距离麦克风都很近，因此无需考虑声波衰减。进行声电转换，将声音信号 I转变成电流信 i并用信号放大器放大，驱动发光
4、二极管，通过二极管明暗变化演示声波的多普勒效应。演示装置：声源蜂鸣器为宏研 TMBl2C，是单频振荡音源，谐振频率 2400 Hz，高音量输出，尺寸小、重量轻、无电磁干扰。接收器麦克风为今联 MIC 一 309，是经过特别过滤技术处理，强化单一方向声音，可过滤背景杂音。电动机为直流电源控制，转速可调，为减小震动，固定在大质量底座上。电动机带动 l 根长 2 m 的轻质细杆转动，细杆两端分别安装蜂鸣器和配重物。光电门和数字毫秒计取自实验室常见的气垫导轨实验。为使实验现象明显( 即发光二极管明暗变化对比鲜明)，在本实验中应该保证声强比12，由 Mathematica 工具软件绘制的声强比与声源速率
5、 的关系图 2(声速取标准值 u=340 ms)可以看出：要求声源匀速圆周运动线速度 15 ms，若转动半径 R= 1 m，则角速度 = 15 rads。细杆转动角速度可利用光电门和数字毫秒计的测速功能直接调至 =15 rads 开始演示。演示方法：将麦克风接入信号放大器，蜂鸣器发出固定频率的等幅声波，细杆以恒定角速度 =15 rads 逆时针旋转，声音信号由麦克风接收转换后放大，驱动发光二管图 3 是根据频率变化公式 v= 绘制的曲线。可看出：当 0 时，蜂鸣器正以最大后退速率远离麦克风，由于多普勒效应，接收到的信号频率最小，能量最小，二极管最暗；蜂鸣器作圆周运动，随着口增大，接收到的信号频
6、率逐渐增大，二极管应该逐渐变亮，当 2 时，蜂鸣器正以最大前进速率接近麦克风，接收到的信号频率最大，能量最大，二极管达到最亮。由于声源是周期运动，可见从接近麦克风运动到远离麦克风，二极管迅速由最亮变为最暗，时间很短，由最暗变成最亮的周期大约为 0.5 S，由于周期较小，实际观察到的现象是二极管忽明忽暗快速闪烁，但明暗对比鲜明。三、本方案创新之处本方案利用声波多普勒效应导致声强变化特点，进行声电转换，将声音信号转变成电信号，并用信号放大器放大，驱动发光二极管演示了声波的多普勒效应。本方案非常巧妙的将声源距离的远近、声源和接收器之间的移动关系通过匀速圆周运动的方式展现了出来。本演示方案从能量变化角
7、度验证了多普勒效应，与从拍频角度验证方法相比，理论上更为简单，也较容易理解和接受。该实验设计合理、性能稳定、现象明显、效果良好。四、感受及改进意见感受：通过该演示方案，我更加直观和深刻地理解了多普勒效应，整个实验利用了声波的多普勒效应，用一根细杆托着蜂鸣器在电动机的带动下作匀速圆周运动，巧妙的实现了声源和接收器之间距离的变化，更表现了两者之间的运动关系，直接联系了生活实际，将实验与我们所要探讨的实际问题相关联，是实验更加生动形象。并且该演示方案最终是通过发光二极管的明暗变化来反应声音频率的变化，将不易直接观测的结果转变为了易于观察的现象，使得实验更加得直观准确。同时，该实验方案也启发我们在日常生活中药更多的客观的运用所学的科学知识去分析那些生活中貌似平常的现象，而不要去忽视，更不能凭自己的感觉去猜想，以此我们才能收获更多，才能愈发接近事物的本质，对物理以及它在现实中的应用有更深刻的了解。同时也体会到了，作为当代大学生的我们更应该留心生活实际，具备优良的创造性。改进意见：现在的实验方案中由于细杆末端蜂鸣器线速度过快，造成经过声电转换、信号放大器放大后，发光二极管明暗转换频率过快，不利于观察，故可将细杆的长度加长，在线速度仍不改变的情况下，降低了蜂鸣器旋转的频率，则发光二极管明暗转换的频率也随之降低，进而更加方便观察。
