高中物理“多普勒效应演示实验”的改进与创新

黄建洪 戴远辉

大量的教学经验表明，有实验的物理课，教师和学生都会提起“精气神”，这充分说明了物理实验在物理教学中的重要性。物理实验不仅能提升学生的学习兴趣，有助于创建高效课堂，还能增强学生的动手能力，甚至让学生终生难忘。

在实际教学中，有些实验由于受到各方面条件的限制，在实际操作时并不是十分理想，难以达到预期的效果。例如，《粤教版高中物理选择性必修第一册（2020年版）》第三章第四节“多普勒效应”要求运用蜂鸣器进行实验教学。如果按照课本的实验方案，让一个学生拿着一个蜂鸣器，从讲台迅速跑向课室后面，让其他同学仔细分辨蜂鸣器声音的频率是否有变化，从多普勒效应的原理分析，可以判断这名学生在跑步时，由于蜂鸣器与其他学生有相对运动，因而其他学生会听到声音出现高低变化的“变频”现象。但是，笔者在教学中发现，因为学生运动速度和课室的长度有限，这个演示实验能够产生的“变频”现象很微弱，几乎难以分辨，让学生感到失望。

基于这种情况，笔者在原有方法的基础上，创新实验思路，循序渐进做了多种改进。经过反复实验和比较，下面这两种改进方案产生的实验现象比较明显。为此，笔者谈谈对本实验的改进与创新。

一、实验目的及原理

1.实验目的：通过教师指导、学生操作的演示实验，让学生感受“多普勒效应”现象。

2.实验原理

（1）如图1所示，声波在空气中向各方向均匀传播。当声源与观察者相对静止，在1s内通过观察者的波峰个数不变，观察者在不同方向接收到的声音频率等于声源振动的频率，听到的音调均相同。

（2）如图2所示，当声源与观察者之间发生相对运动，声源的频率不变，但由声源传过来的声音在1s内通过观察者的波峰个数会不断变化，观察者接收到的声音频率会随之改变。若声源与观察者互相靠近，则观察者接收到的声频增加，听到的音调将升高;若聲源与观察者互相远离，则观察者接收到的声频减小，听到的音调将降低。

二、实验改进与创新

第一种改进：蜂鸣器+长绳

1.实验器材：蜂鸣器、16850电池、开关、插座底座各一个、导线若干、细绳1米。电池容量为3000mAh，可支持蜂鸣器，额定电流10A，耗电完毕，充电后可重复使用。安装器材时，先在插座底部设计一个简单的电路，然后用易溶胶把各元件固定在插座底部，再用电烙铁把各元件连接起来。连接时切记要断开开关，防止短路。安装完毕，把细绳的一端捆绑在插座底座（如图3所示）。

2.改变蜂鸣器的运动方向。以控制变量法入手，观察者与实验者保持约3米的距离不变，实验者手持蜂鸣器，观察者以不同角度站在实验者的旁边。如图4所示，连通蜂鸣器电路，让蜂鸣器发出声音，实验者的位置不变。实验者手持演示器先后沿水平方向、竖直方向、前后左右往返改变声源的运动方向，观察者在实验者周边以不同的角度进行观察，分辨声音的变化，记录观测的结果。重复操作多遍。实验表明：随着蜂鸣器的运动方向变化，观察者在各个角度没有感觉到声音高低有发生变化，验证以失败告终。

3.手持演示器跑动。如图5所示，观察者的位置不变并保持不动，实验者持蜂鸣器迅速跑离观察者约10米，速度由小到大，然后返回跑向观察者，重复往返跑动，让观察者记录观测结果，实验表明：即使跑动距离超过10米，但是因为实验者的速度难以达到高速，因此观察者感受到的声音高低只有微弱的变化，效果仍然不理想，这与课本实验方案无异。

4.绳子拉动演示器做圆周运动。如图6所示，观察者与实验者相距约3米，在蜂鸣器上连接一条约0.5米的细绳，实验者手拿着细绳的另一端，以手拿着的细绳端作为圆心，让蜂鸣器在竖直方向作圆周运动，开始的速度稍慢点，然后逐步加大速度，让观察者继续观测实验现象，实验表明：在各个角度的观察者都能感觉到声频明显变化。改变细绳的长度，使细绳长度为1米，以同样的方法让蜂鸣器在竖直方向作圆周运动，从小到大逐步加大蜂鸣器作圆周运动的速度，观察者在各个角度收到的声频不断增加，“多普勒效应”现象变得非常明显。

第二种改进：手机+长绳

实际上，“多普勒效应”实验通过如今与人类使用频繁的智能手机也可以实现，因为目前的智能手机可以通过某些软件实现发出特定频率的声波，具体方案如下。

1.实验器材：两部智能手机、一根约50厘米的长绳子。

2.软件安装

（1）音频发生器Frequency Sound Generator。在智能手机A中安装音频发生器Frequency Sound Generator，其运行界面如图7。操作手机使其发出1000Hz蜂鸣音。

（2）吉他调音器gStrings。在智能手机B中下载安装吉他调音器gStrings，其运行界面如图8。操作手机B使其识别并读取智能手机A发出的1000Hz的蜂鸣音。

3.实验步骤

（1）当声源静止时，观察是否产生多普勒效应

将智能手机A、B并排水平放置在桌面上，设置信号发生器和信号接收器处于运行状态。可见，智能手机A屏幕显示信号发生器发射的频率是1000Hz，信号接收器（即吉他调音器）接收到的频率是1000Hz。由于两者处于相对静止的状态，没有发生多普勒效应，不存在频移现象。

（2）当声源移动时，观察是否产生多普勒效应

手持智能手机A先远离后靠近智能手机B，观察智能手机B上信后接收器示数。可见，信号接收器的示数发生变化，当智能手机A、B相互远离时，B手机上示数变小;当智能手机A、B相互靠近时，B手机上示数变大。

（3）当声源转动时，观察是否产生多普勒效应

用事先准备好的绳子绑住智能手机A后吊起，并将绳子扭转多次，在智能手机B一侧静止释放智能手机A。可见，当A手机开始转动时，B手机中的示数在999Hz与1001Hz之间发生周期性变化。

三、实验总结与评价

从上述实验可以总结出声波的“多普勒效应”规律为：当波源固定，观察者静止，所接收的声波的频率与波源发射的声波频率相同，即发射频率等于接收频率;当波源移动，观察者静止，声波波源移向观察者时接收频率变高，而波源远离观察者时接收频率变低。实践表明，经过改造和创新的实验器材及方案，可以很好地改进课本上的实验方案，得到更好的效果。

责任编辑  胡春华