水波的多普勒效应演示器

林丽霞 梅韵芝 李德安

(华南师范大学物理与电信工程学院 广东 广州 510006)

“多普勒效应”是在学习了波的有关知识后编排的，该效应是一种常见的现象.由于该部分知识相对抽象，若教师不能配合相应的教具辅助教学，学生便对其缺乏感性认识.通过水波的多普勒效应演示器能让学生知道生活中的多普勒效应，在开拓学生眼界的同时加深学生对多普勒效应原理的理解与掌握，从而激发学生学习物理的求知欲望.

1 多普勒效应的原理

多普勒效应是指波源或接收器，或两者都相对于传波媒质运动时，接收器所接收到的波的频率与波源的振动频率两者不同的现象：相互靠近时所接收到的频率升高，相互远离时所接收到的频率降低[1,2].

(1)

对于水波多普勒效应演示器的装置来说，在式(1)中，v为水波的传波速度，v1为接收器的移动速度，本装置中由于接收器被固定了，所以v1是为零的.v0为波源的移动速度，f0为某一时间点的频率，“+”表示波源往靠近接收器的方向移动，“-”表示波源往远离接收器的方向移动.

2 水波的多普勒效应的原理

当水波向接收器靠近时，接收器单位时间接收到波的个数，将比水波原来单位时间内所发出波的个数多.因为水波发生器在发出最后一个波时比在发射第一个波时更靠近接收器，这表示接收到的频率与水波发生器相比变高.反之，当水波发生器远离接收器时，接收到的频率与水波发生器相比低一些，因此可用水波波纹疏密变化来定性演示水波的多普勒效应.用一定频率击打水面形成水波，而后在水面上移动打击点，可以观察到在移动方向上出现波纹疏密变化的现象，从而达到定性演示水波的多普勒效应的目的[3～5].

3 实验器材及制作方法

3.1 实验器材

频闪光源(手机可提供),3 V电源,开关,导线若干,水槽,小马达,雪糕棒一根,塑料珠子一颗,螺丝和螺母若干,有机玻璃板,吸管,透明的笔芯,小珠子一个.

3.2 制作方法

自制的水波发生器如图1所示.

图1 水波发生器(波源)

利用小马达带动用雪糕棒制成的转动风扇转动，从而带动下面的珠子(触点)击打水面从而产生水波.

水波接收器如图2所示，一个图钉帽上粘上一个珠子，最后再将其粘固在水槽上.

图2 水波接收器(接收源)

小马达的转动动力是利用3 V的电池及导线开关等组成的电路来驱动.

水波的多普勒效应演示器整体装置如图3所示.

图3 水波的多普勒效应演示器整体装置

4 方法及效果

4.1 使用方法

在手机频闪光源的照明下，接通电源开关，驱动小马达带动转轴转动，使得扇叶转到最低点时打到触点，从而在水面产生水波.因为电动机转动的频率是一定的，所以水波发生器产生的水波的频率也是一定的，即产生的波纹数也是一定的，然后在水面上移动水波发生器，从而改变水波发生器与接收器之间的相对距离，此时可以观察到在接收器处出现波纹疏密变化.在实验过程中，我们可观察到水波发生器与接收器之间的距离由相对远到靠近的过程中伴随着接收器处的波纹数从稀疏到密集的现象，因此可以达到定性演示水波的多普勒效应的目的.

4.2 实验效果

实验现象如图4和图5所示，其中图4(a)、(b)、(c)分别为波源由远处靠近接收器再远离接收器时的实验现象，由图可看出，波数相应由疏变密再变疏，换相对较大的接收器，遵循同样的规律，如图5(a)、(b)、(c)所示.

图4 用钉帽作为接收器时的实验现象

图5 用大的水波接收器进行实验的实验现象

5 实验演示仪的创新点及其优点

创新点：可以通过改变通过小马达的电流来改变小马达转动的频率，进而控制单位时间内产生水波数目的多少，即实现水波数目的可控化，以达到最好的实验效果.

优点：该演示仪主要由4部分组成，分别是手机的频闪光源、小马达驱动的水波源、水槽、电源.这些实验器材简单易得、成本较低，可视度高，操作性强，便于在课堂上演示实验来引导学生对多普勒效应的进一步理解和掌握.对教师而言是一种适合教学的演示多普勒效应原理的教学仪器，对学生而言是利于动手探究多普勒效应的实验装置.

1 梁佩莹,梁泽汇,李成龙,等. 基于多普勒效应的水波特性实验装置的设计. 大学物理,2016(09):20～23

2 刘杰. 基于自制教具的水波多普勒效应实验探究. 中国现代教育装备,2012(22):50～51

3 邱宁. 多普勒效应演示器. 大学物理,2000(06):44～45

4 苏立乾. 《多普勒效应》教学设计.教育教学论坛,2014(25):281～282,275

5 龚劲涛,王素芳. 对多普勒效应中几个问题的探讨. 物理与工程,2010(04):65～67