演示多普勒效应的几种实验方案

摘要：本实验定性地演示当振源相对于介质运动时的多普勒效应，探讨了四种演示多普勒效应的实验装置。分别讨论了机械波、光波、声波的多普勒效应并设计了相关的实验装置，原理、操作步骤、注意事项，说明了各装置的优劣。对教学实验有一定的参考价值。

关键词：多普勒效应；水面波；音频振荡器；拍音现象；频率

【中国分类号】G898

本实验定性地演示当振源相对于介质运动时的多普勒效应。我们知道多普勒效应不仅仅适用于声波,它也适用于所有类型的波,包括光波、电磁波等。怎样在教学中成功的演示多普勒效应是一个教学难题。。相对与其他实验，本文的实验，实验装置简单，操作方便适合教学。而且本文的实验演示了听觉、视觉两方面的多普勒效应。考虑了振源运动，观察者运动和振源观察者都运动三种情况下的多普勒效应，全面的演示有利于学生全面的理解多普勒效应的特点。

1、方法一：演示水波的多普勒效应。

1.1[仪器装置]

与“水面波”仪器装置相同，如

图-1。

1.2[原理]

当振源静止时，振动在介质中以速度 传播，波长为 。 当振源以速度 向静止的观察者运动时，振源在一个周期内沿波的传播方向上通过一段路程 （见图-2），因此，观察者所接收到的波长为： 可见波长缩短，观察者在单 位时 间内所接受到的振动 数（频率）增加。 反之，如果振动源离开观察者 ，则波长增加 ， 结果观察者所接收到的频率减小，即 。这就是振源运动时的多普勒效应。

2、方案二

2.1[仪器装置]如图-4

2.2、[操作与效果]

将所用各器件按图-4装好。

接通音频振荡器电源，调节电压输出，使输出功率在喇叭的额定功率之内，频率调节在1000赫兹，当喇叭静止时静止的观察者可听到喇叭发生频率为1000核子的匀强声响。在1000赫兹左右微调音频振荡器频率旋钮（输出功率不变），这时喇叭发生不同的声音是音调变化的结果。然后固定频率在1000赫兹，微调振荡器功率输出，这时喇叭发生不同的声音是音响变化的结果。在听者明辨这两种声音变化的不同之后，就有条件分辨多普勒效应现象了。

接通变压器电源，调节其输出电压，使马达约以10转/秒的转速转动，观察者可听到喇叭在远离或趋近时频率的变化，这种音调时高时低的变化就是多普勒效应。

3、方法三：演示声源运动时所产生的多普勒效应。

3.1、[原理]

本实验利用拍音现象来演示声源运动时所产生的多普勒效应。

用两个频率均为 的声源（将两个扬声器并接在同一个音频讯号发生器上），一个静止，一个向观察者运动。静止的观察者将同时接收到两个声波，它们的频率差 为 当声波频率较高，而声源的运动速度不大时，观察者可听到拍音，拍音频率为 ，声源的速度愈小，拍频亦愈小。但是，由于听到的拍频为频率差额的绝对值，即声源以相同的速率接近（ ）或远离（ ）观察者时，所听到的拍频基本相同，因此本方法不能辨别声源的去向。

3.2、[操作与效果]

使用一台音频讯号发生器，将两个相同的；暗坝并联在讯号发生器上，音频讯号调至1000赫兹左右，将一只喇叭位置固定，另一只喇叭悬挂在两个滑轮之间的挂绳上，两只喇叭面对观察者。当挂绳上的喇叭静止不动时，可以听到两个喇叭发出的1000赫兹的单调音响。

转动滑轮，使绳上的喇叭缓慢地向着（或背着）观察者匀速转动，观察者可以听到1000赫兹的音响时强时弱，这就是拍。在喇叭的整个行程2.6米内，观察者可听到7~8次拍音。

观察者听到拍的事实说明同时接收到两个频率相差很小的声波，静止喇叭所发的声波频率不变，运动着的喇叭所发出的频率改变，这就是多普勒效应。

4、方法四：演示运动声源的频率变化。

4.1、[仪器装置]

和方案三一样如图-5,使用两台音频讯号发生器。

4.2、[原理]

使两个声源的频率有一微小的差别，就可以改善上一方法的不足而能够分辨声源的不同去向了。

当频率略有差别的两个声源都静止时，已可听到拍音，拍频为 。令频率较高的一个声源 以速度 运动，当其接近观察者时，由于多普勒效应，接收到的频率进一步增高，而静止声源的频率不变，因此听到的拍频将有所增加。当频率较高的声源远离观察者时，接收到的频率将减小，因而拍频也将减小。这样不但可以观察到运动声源的频率变化，而且通过拍频变化的趋势（拍频增加还是减小），可以区分声源运动的方向。

4.3、[操作与效果]

将图-5中两个喇叭分别接在两个音频讯号发生器上，频率分别调至1000赫兹左右，相差3～5赫兹。

调节讯号输出，使两个喇叭所发出的音强相同，这时静止的观察者可以听到清晰的拍音，拍频等于两个讯号的频率差。

令频率较低的喇叭固定不动。转动滑轮使频率较高的喇叭缓慢的匀速接近观察者。可以听到拍频显著增高，表明当声源接近静止的观察者时，观察者所收到的声波频率增高，因此与固定声源之间的频率差较前增加。

使频率较高的喇叭匀速远离观察者，可以听到拍频减小。说明当声源远离静止观察者时，观察者收到的声波频率减小，因而与固定声源之间的频率差较前减小。

总结，应当说上面的几个实验都能较好的演示出多普勒效应的点。相对与市面上销售的其他演示仪器难免有不足之处，这是实验装置决定的。因为本文的装置较简单、经济着就要导致用材的粗糙也就导致了实验的效果和精确程度，但做为中学教学的演示实验本文的几种方法是足够的了。中学教学只要求学生定性了掌握多普勒效应就可以了所以本文的实验达到了教学演示的目的。现在市面上还出现了一种演示光的多普勒效应的仪器，其原理是在移动光栅发生光的多普勒频移理论基础上，利用了双光栅拍频检测方法来演示激光的多普勒效应。实验的演示仪器小型轻巧，可随时携带教学现场演示。光栅的移动也可用手控制，不仅能发生连续的变调声，还可用示波器可以观察到波形的疏密变化，直接反映光的多普勒频率变化，集趣味性、科学性于一体，活跃了教学气氛，加深了学生对多普勒效应的理解。但实验仪器相对上面的几个要昂贵的多，对于一般的中学还是较难承受的，所以上面的实验有它的使用价值。

参考文献

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