创设实验进行多普勒效应教学的探究

杨传绿

摘 要 本文主要介绍了在《多普勒效应》这节课的物理教学中，利用设计的三个演示实验“声调与声音频率的关系、利用发波水槽观测水波的多普勒效应、传感器观测多普勒效应”实现了对原有教学的突破，在“听”的基础上更增加了“看”这一有效的认知途径，提高课堂教学的有效性的做法与体会。

关键词 多普勒效应 演示实验 有效性

中图分类号：G633.7 文献标识码：A 文章编号：1002-7661（2015）22-0011-02

《多普勒效应》这节课中，教学目的是让学生了解多普勒效应这种现象，能运用多普勒效应解释一些物理现象。平常的教学一般都采用理论讲解，应用动画辅助演示，再加上列举一些生活实例来告诉学生们，当波源与观察者之间有相对运动时，观察者接收到的频率发生了改变的这种现象叫做多普勒效应。经过教学实践发现，这样进行本课的教学，学生只能机械、被动地记住这个结论，而对多普勒效应的理解存在着不小的困难。为了更加生动、直观地帮助学生理解这个物理规律，在实际教学中，我设计了下面三个演示实验。

[实验一]声调与声音频率的关系

教材中的引入事例说到，火车鸣笛呼啸通过观察者，火车靠近时，听到的汽笛声音调变高（尖锐），火车远离时，听到的汽笛声音调变低（平缓）。通过这个事例的视频展示，可以让学生清楚察觉到波源和观察者距离变化时，听到的声音音调的变化，但是对于音调与声音频率的关系却没办法直接得出。下面的实验可以解决这一问题。

实验器材：音频发生器、有源音箱。

实验过程：利用一个音频发生器连接一对有源音箱，进行声音输出。调节音频发生器的的频率大小，让学生听声音音调的变化。调节300Hz、600Hz、900Hz、1600Hz左右等任意几种声音频率，让学生感受不同的声音频率对应的不同的声音音调，再用微调旋钮连续调节声音频率从低到高，再从高到低，让学生直观地了解到“声音的音调由声音的频率所决定”，从而为学生理解声音的多普勒效应扫清了障碍。

[实验二]利用发波水槽观测水波的多普勒效应

观察者不动，波源运动时，波源一边的波纹间距变小，另外一边的波纹间距变大，教学中一般用来分析多普勒效应中观察者频率发生变化的成因。在分析过程中，传统教学一般都通过在黑板上画图分析，或者借助Flash动画，以模拟仿真的手段展示多普勒现象的形成机理，弥补传统教学在直观感和动感方面的不足。但是动画的模拟演示毕竟比不上真正的实验，教学中可以借助发波水槽的水波演示实验模拟声波的多普勒效应，让学生真正“看得见”这一物理现象，使得直观感、立体感更加强烈。

实验器材：发波水槽、电磁振动器、长条的透明玻璃板、学生电源、导线若干。

实验过程：

1.发波水槽中注入清水，一般控制水的深度在5mm-8mm左右。在水槽的一边架上长条的透明玻璃板作为滑轨，上面放置电磁振动器。

2.连接相关电路，用低频交流电驱动电磁振动器，调节振动器的振动频率，使得电磁振动器在水中打出的圆形水波纹清晰、稳定。

3.在透明玻璃板上向左或向右移动电磁振动器，尽可能保持匀速移动，让学生观察水波纹的变化。

可以看到当电磁振动器向右移动时，波源右边的条纹变密，左边的条纹变疏；电磁振动器向左移动，情况与之相反。

注：①这个实验的现象可以直接通过仪器前端的显示屏投影显示，或者加装摄像头连接电脑投影到大屏幕上，效果都非常明显。

②移动电磁振动器这个波源的时候速度不要太快，为了能够平滑移动，避免产生的不必要的振动影响了实验效果，可以在透明玻璃板上适当涂抹些润滑油，或者把电磁振动器固定在小车上，通过小车的移动来控制充当波源的电磁振动器的运动。

学生对波这一概念的理解最直接的感受是来自于水波，而这个演示实验正是利用了水波来模拟声波的多普勒效应，呈现的现象生动直观，使得学生在理解上更加顺畅。在实际的教学中，学生对这演示实验的兴趣很高，同时这一演示实验也降低了学生对新知识的理解难度，并且拓宽了学生的思路。

[实验三]传感器观测多普勒效应

上一个实验设计可以让学生清楚地看到用来模拟声波的水波的多普勒效应：波源靠近观察者时，波纹变密集；波源远离观察者时，波纹变稀疏。借助传感器，还可以实现多普勒效应的更加准确的观测。

实验器材：朗威数据采集器、声音传感器、音叉、橡胶锤、安装朗威DIS软件的电脑、滑轨、小车、蜂鸣器、5号电池和电线若干。

1.依次连接好数据采集器、声音传感器、电脑，进行初步设置，并打开DIS5.0通用软件，进行调试，确保声音传感器正常工作，软件能正确采集到声波信号。

2.用橡胶锤敲击音叉，声音传感器接收信号，选择合适的采样频率，把电脑上DIS软件所采集到的波形图投影到大屏幕进行观察。

3.让音叉靠近声音传感器，观察靠近的过程中采集到的波形图发生的变化。可以看到波形图中正（余）弦波的周期变小，即频率变大。远离时情况相反。

4.截取波形图的一段，用鼠标确定一个周期的的波形图，读出声源静止以及声源移动时周期的数值变化。

注：①本实验中采用的声源所发出的是人耳能听得到的声波，频率比较低，声音传感器接收到的信号比较容易受到外界声音的干扰，所以一个相对安静些的环境，并且在电脑上事先调节声音传感器采集的频率大小，使采集的信号频率段接近音叉的声音频率，呈现出来的波形就能非常接近正（余）弦波形。

②可以用蜂鸣器代替音叉作为波源，由于体积更加小巧，可以安放在小车上，让小车从滑轨上滑下，用声音传感器采集声音的信号，观察波形的变化。

这一实验不仅可以实现多普勒效应的定性演示，还能进一步对声源移动时接收频率（周期）的大小做出定量测量。学生也能课堂上触类旁通，认识到多普勒测速仪正是这一实验的现实推广应用。

通过以上三个实验的演示，一方面可以很好的展示多普勒效应现象，另一方面可以有效降低学生学习的难度，在“听”的基础上更增加了“看”这一有效的认知途径，激发了学生学习的兴趣。整节课的教学借助实验使学生的观察和思维活动紧密地结合，对多普勒效应形成了清晰的认识，获得了很好的教学效果，提高了教学的有效性。

（责任编辑 李 翔）