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1、大学物理实验大学物理实验- 多普勒效应多普勒效应1苍松课资实验目的 实验仪器 实验原理 实验内容 数据处理 注意事项 思考题2苍松课资1.理解多普勒效应，研究观测多普勒效应的方法;2.学习使用智能手机测量声波频率的方法。实验目的3苍松课资1. 智能手机一部，下载相关软件(phyphox)。2. 已知频率的声源(可用phyphox中音频发生器)。 3. 自行车或电动车等产生相对运动的设备。实验仪器4苍松课资实验原理 对于机械波和电磁波而言，当波源或观察者相对于介质运动时，观察者接收到的波的频率和波源实际发出的频率不相同的现象，称为多普勒效应（Doppler effect）。这种现象是奥地利物理学
2、家多普勒（1803-1853）于1842年首先发现的。多普勒效应在科学研究，工程技术，交通管理，医疗诊断等各方面都有十分广泛的应用。基于多普勒效应原理的雷达系统已广泛应用于导弹，卫星，车辆等运动目标速度的监测。5苍松课资实验原理1. 波源静止观测者运动 在这种情况下, vs=0, v0 . 若观测者向着波源运动, 相当于波以速率u+v 通过观测者. 因此单位时间内通过观测者的完整波数, 即接受频率为 当观测者离开波源运动时, 实际观测频率将低于波源的频率, 即 其中，f0为声源频率，f为接收频率，u为波速，v为观察者（接收器）的速度。（1）（2）6苍松课资波源和观察者没有相对运动观察者靠近波源
3、接收频率增大观察者远离波源接收频率减小7苍松课资实验原理2. 观测者静止波源运动 在这种情况下, v=0, vs0. 当波源静止时, 波长=uT; 然而当波源以速度vs 向着观测者运动时, 由于一个周期T内波源已逼近观测者vsT 的距离, 所以在观测看来, 波在一个周期内走过的距离 又由于波在介质中传播速度不变, 所以观测者实际则得的频率同理可以得到波源远离观测者时频率为：（3）（4）8苍松课资实验原理3. 波源与观测者均运动 综合以上两种情况, 当观测者与波源同时相对于介质运动时, 观测者实际观测的频率 式中, 观测者向着波源运动时, v前取正号, 离开时取负号；波源向着观测者运动时, vs
4、前取负号, 离开时取正号. 若波源与观察者若波源与观察者不沿二者连线运动不沿二者连线运动9苍松课资实验原理 若f0保持不变，根据（1）式或（2）式，作f-v关系图可直接验证多普勒效应，且由试验点作直线，其斜率为 （利用线性回归法计算k值），由此可计算出声速 u 。 若已知声速u 和声源频率f0，物体匀变速直线运动根据（3）式或（4）式，作 v-t 关系图，可得出物体在运动过程中的速度变化情况 。10苍松课资实验内容1.1.将已知频率的声源固定于自行车（或电动车）上，先对将已知频率的声源固定于自行车（或电动车）上，先对phyphoxphyphox软件声音频率测量校准；软件声音频率测量校准；2.2
5、. 自行车以一个稳定速度远离声源，利用手机上自行车以一个稳定速度远离声源，利用手机上phyphoxphyphox软件的多普勒效应传感器记录接收频率和相对速度；软件的多普勒效应传感器记录接收频率和相对速度；3.3. 以不同速度靠近声源，记录接收频率和相对速度。以不同速度靠近声源，记录接收频率和相对速度。4.4. 验证多普勒效应（必做）验证多普勒效应（必做）。5.5. 测量声速（必做）测量声速（必做）。6.6.匀变速直线运动的测量（选做）匀变速直线运动的测量（选做）。也可自行设计！也可自行设计！11苍松课资注意：多普勒传感器的基准频率要与音频发生器设定的频率匹配。接收接收频率率波源与手机波源与手机
6、间的相的相对速度速度可接入扬声器12苍松课资数据处理1. 验证多普勒效应 次数次数速度速度v(m/s)f(Hz)123456观测者向着（或远离）波源匀速直线运动 红移蓝移13苍松课资数据处理测量数据（量数据（f0 = ）直直线斜率斜率（1/m）声速声速测量量值声速声速理理论值百分百分误差差次数123456v(m/s)f(Hz)2. 声速测量观测者向着（或远离）波源匀速直线运动 14苍松课资数据处理3.匀变速直线运动的测量（选做）n2345678加速加速度度a(m/s)1v2v3v4v15苍松课资注意事项1.在空旷处进行实验，防止其它波源干扰；2.实验过程中注意人身安全。3.实验过程中尽量保持声源与接收器的速度在同一直线上。16苍松课资2. 机械波与光波的多普勒效应有什么区别？思考题1.实验过程中尽量保持声源与接收器速度在同一直线上，若不延同一直线，对实验结果会有什么影响？3. 当波源运动的速度等于声波传播速度时会出现什么现象，当波源运动的速度大于声波传播速度时会出现什么现象？为什么飞机会以亚音速和超音速来区分其飞行速度，如果飞机以音速飞行会怎么样？先在雨课堂讨论区交流，再提交到课后作业处！17苍松课资实验要求：1.完成实验设计、实验报告，保留实验照片；2.完成思考题，提交到雨课堂课后作业处。18苍松课资
