大学物理实验-多普勒效应

1、大学物理实验,- 多普勒效应,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,理解多普勒效应，研究观测多普勒效应的方法; 学习使用智能手机测量声波频率的方法。,实验目的,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,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家多普勒（1803-1853）于1842年首先发现的

2、。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。,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）,波源和观察者没有相对运动,观察者靠近波源 接收频率增大,观察者远离波源 接收频率减小,实验原理,2.

3、 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）,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前取负号, 离开时取正号.,若波源与观察者不沿二者连线运动,

4、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 。,实验内容,将已知频率的声源固定于自行车（或电动车）上，先对phyphox软件声音频率测量校准； 自行车以一个稳定速度远离声源，利用手机上phyphox软件的多普勒效应传感器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。 验证多普勒效应（必做）。 测量声速（必做）。 匀变速直

5、线运动的测量（选做）。,也可自行设计！,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。,接收频率,波源与手机间的相对速度,可接入扬声器,数据处理,1. 验证多普勒效应,观测者向着（或远离）波源匀速直线运动,红移 蓝移,数据处理,2. 声速测量,观测者向着（或远离）波源匀速直线运动,数据处理,3.匀变速直线运动的测量（选做）,注意事项,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。,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