多普勒效應測量變速度實(shí)驗裝置的設計論文
摘要：本文介紹了設計性實(shí)驗“多普勒效應研究變速度運動(dòng)”, 該實(shí)驗要求學(xué)生理解多普勒效應測量速度的原理， 利用多普勒效應及聲速綜合測試儀、智能控制系統實(shí)驗儀器， 設計出一套多普勒效應測量變速度的實(shí)驗裝置， 并利用該實(shí)驗裝置測量簡(jiǎn)諧運動(dòng)物體的速度。
關(guān)鍵詞：多普勒效應； 設計性實(shí)驗； 大學(xué)物理；
大學(xué)物理實(shí)驗作為培養學(xué)生創(chuàng )新能力的重要環(huán)節， 應當為學(xué)生提供足夠的條件， 使學(xué)生獲得富有探索和創(chuàng )造性的學(xué)習環(huán)境， 使其在實(shí)驗過(guò)程中充分發(fā)揮自身的主觀(guān)能動(dòng)性， 積極主動(dòng)地思考、分析問(wèn)題。尤其是在研究性創(chuàng )新性實(shí)驗教學(xué)中， 學(xué)生需要自己完成閱讀文獻資料、擬定實(shí)驗方案、配置實(shí)驗設備、制作儀器部件或搭建電子線(xiàn)路、測量實(shí)驗數據、分析實(shí)驗結果、完成實(shí)驗報告等工作， 這種注重培養學(xué)生科研能力的做法， 有利于學(xué)生的開(kāi)拓精神和創(chuàng )新能力的培養。[1,2]
為此， 大學(xué)物理設計性實(shí)驗中， 應用多普勒效應及聲速綜合測試儀 （DH-DPL） 以及智能運動(dòng)控制系統設計出一套簡(jiǎn)易的多普勒效應測量變速運動(dòng)實(shí)驗裝置， 開(kāi)展多普勒效應相關(guān)的設計性實(shí)驗， 以培養學(xué)生獨立設計物理實(shí)驗的能力。本實(shí)驗要求學(xué)生自主完成三部分內容：一是理解多普勒效應測量物體運動(dòng)速度的原理， 二是完成實(shí)驗系統的設計， 三是測量變速運動(dòng)物體的運動(dòng)速度及分析。
1 多普勒效應測量物體運動(dòng)速度實(shí)驗原理
波源和觀(guān)察者相對傳播波的介質(zhì)靜止時(shí)， 觀(guān)察者接收到的頻率和波源發(fā)出的頻率是相同的。當波源或觀(guān)察者或兩者都相對于介質(zhì)運動(dòng)時(shí)， 觀(guān)察者接收到的頻率與波源發(fā)出的頻率就不相同了， 這種現象叫做多普勒效應。[3,4,5]
設波傳播的速度為， 波源以源相對于介質(zhì)向觀(guān)察者運動(dòng) （遠離速度取負值） , 觀(guān)察者以觀(guān)相對于介質(zhì)向波源運動(dòng) （遠離速度取負值） , 則接收頻率為
如果觀(guān)察者與波源的運動(dòng)方向不在兩者連線(xiàn)上， 只要將速度沿連線(xiàn)上分量代入 （1） 式即可。
2 實(shí)驗系統的設計
本實(shí)驗裝置由多普勒效應及聲速綜合測試儀、智能控制系統、運動(dòng)導軌、超聲換能器、小車(chē)等組成。調節運動(dòng)導軌水平， 小車(chē)由智能控制系統控制可在軌道上做勻速、變速運動(dòng)。
將一個(gè)超聲換能器置于軌道一端， 并與多普勒效應及聲速綜合測試儀中發(fā)射端口相連， 這個(gè)換能器即為發(fā)射端；小車(chē)放置于軌道上， 由智能控制系統控制做各種運動(dòng)；將另一個(gè)超聲換能器放置于小車(chē)上， 該換能器與多普勒效應及聲速綜合測試儀中接收端相連。當小車(chē)運動(dòng)時(shí)， 由測試儀測出小車(chē)上的接收端接受的頻率， 這個(gè)實(shí)驗中波源沒(méi)有運動(dòng)， 觀(guān)察者向著(zhù)波源運動(dòng)， 因此，
由 （2） 式知， 只需測出觀(guān)察者接收到的頻率便可得到觀(guān)察者相對于介質(zhì)向波源運動(dòng)得速度觀(guān)。
3 實(shí)驗內容
3.1 實(shí)驗裝置連接
將測試架上“發(fā)射換能器”與多普勒效應及聲速綜合測試儀 （DH-DPL） 上的“發(fā)射端換能器”連接， 小車(chē)上“接收換能器”與DH-DPL上的“接收端換能器”連接， 測試架上光電門(mén)1與DH-DPL1上的光電門(mén)相接， 測試架上光電門(mén)2與智能控制系統上的光電門(mén)相接， 測試架上電機控制與智能控制系統上的相應接口相接， 將DH-DPL上的“發(fā)射波形”及“接收波形”與雙蹤示波器相連， 將“發(fā)射強度”及“接收增益”調到最大。
3.2 發(fā)射信號調節及測頻
進(jìn)入“多普勒效應實(shí)驗”畫(huà)面后， 先“設置源頻率”, 增減信號頻率， 一次變化10Hz同時(shí)觀(guān)察示波器的波形， 當接收波形達最大時(shí)即已設好。接著(zhù)進(jìn)入“變速運動(dòng)實(shí)驗”, 設置采點(diǎn)數為160 （根據實(shí)驗需要可設置其它值） , 設置采樣步距為65ms （根據實(shí)驗需要可設置其它值） .智能控制系統提供了勻速、勻變速及簡(jiǎn)諧運動(dòng)等運動(dòng)模式， 這里我們以簡(jiǎn)諧運動(dòng)為例進(jìn)行說(shuō)明， 在變速模式下， 調節智能控制系統使小車(chē)進(jìn)行簡(jiǎn)諧運動(dòng)， 有7種變速運動(dòng)模式， 顯示為ACC1至ACC7, 選擇其中之一進(jìn)行實(shí)驗， 之后調節DH-DPL上“開(kāi)始測量”, 可測出小車(chē)運動(dòng)時(shí)接收器接受的頻率。
3.3 實(shí)驗數據整理分析
根據 （3） 式， 可計算出小車(chē)的瞬時(shí)速度， 由采樣步距為65ms, 可作出小車(chē)運動(dòng)速度隨時(shí)間的變化關(guān)系圖 （選擇一個(gè)周期） , 如圖1所示。由圖可見(jiàn)， 模式ACC1、ACC2、ACC3、ACC4的運動(dòng)周期基本一致， 而ACC5、ACC6、ACC7的運動(dòng)周期越來(lái)越小。
為了更進(jìn)一步研究簡(jiǎn)諧運動(dòng)， 可對所得速度曲線(xiàn)進(jìn)行擬合， 運用軟件Origin進(jìn)行擬合， 擬合公式為擬合結果如表1所示。
由簡(jiǎn)諧運動(dòng)的動(dòng)力學(xué)方程， 速度隨時(shí)間變化關(guān)系為， 由此可得小車(chē)做簡(jiǎn)諧運動(dòng)的振幅為， 從表1中可知模式ACC1、ACC2、ACC3、ACC4的運動(dòng)振幅基本相同， 而ACC5、ACC6、ACC7的`振幅越來(lái)越小， 這與實(shí)驗中觀(guān)察到的實(shí)驗現象基本吻合。
4 結論
本文介紹的“多普勒效應研究變速度運動(dòng)”, 應用多普勒效應研究了簡(jiǎn)諧運動(dòng)， 通過(guò)測量出小車(chē)上換能器的接收頻率間接測出了小車(chē)的運動(dòng)速度， 可運用多種方法對實(shí)驗結果進(jìn)行分析。本文例舉了用軟件Origin進(jìn)行擬合， 得出小車(chē)運動(dòng)速度隨時(shí)間的變化關(guān)系及小車(chē)在各種模式下的運動(dòng)規律。而該實(shí)驗裝置還可設計用于研究勻速直線(xiàn)運動(dòng)、勻加 （減） 速直線(xiàn)運動(dòng)、測量距離等等。通過(guò)完成該實(shí)驗， 學(xué)生對多普勒效應有了更深刻的理解， 也可鍛煉學(xué)生自主設計新實(shí)驗的能力， 培養學(xué)生的創(chuàng )新精神和動(dòng)手能力， 是非常適合作為設計性實(shí)驗的一個(gè)項目。
參考文獻
[1]劉海霞。物理實(shí)驗與培養學(xué)生創(chuàng )新能力的思考與實(shí)踐[J].實(shí)驗室研究與探索， 2009.28 （7） :12-13.
[2]段家低， 曹惠賢， 王煜， 等。美國高校物理實(shí)驗教學(xué)和管理情況考察報告[J].大學(xué)物理， 2004.23 （3） :42-45.
[3]戚伯云， 楊維纮。力學(xué)[M].北京：科學(xué)出版社， 2008:253-256.
[4]鄭永令， 賈起民， 方小敏。力學(xué)[M].北京：高等教育出版社， 2002:441-444.
[5]鄧鋰強， 梁一機。多普勒效應測量聲速實(shí)驗的設計[J].大學(xué)物理， 2012.31 （3） :48-49.
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