多普勒效應(yīng)實(shí)驗(yàn)130826

1、1多普勒效應(yīng)綜合實(shí)驗(yàn)多普勒效應(yīng)綜合實(shí)驗(yàn)【引言】【引言】當(dāng)波源和接收器之間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，接收器接收到的波的頻率與波源發(fā)出的頻率不同的現(xiàn)象稱為多普勒效應(yīng)。多普勒效應(yīng)在科學(xué)研究，工程技術(shù)，交通管理，醫(yī)療診斷等各方面都有十分廣泛的應(yīng)用。例如：原子，分子和離子由于熱運(yùn)動(dòng)使其發(fā)射和吸收的光譜線變寬，稱為多普勒增寬，在天體物理和受控?zé)岷司圩儗?shí)驗(yàn)裝置中，光譜線的多普勒增寬已成為一種分析恒星大氣及等離子體物理狀態(tài)的重要測(cè)量和診斷手段?；诙嗥绽招?yīng)原理的

2、雷達(dá)系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于導(dǎo)彈，衛(wèi)星，車輛等運(yùn)動(dòng)目標(biāo)速度的監(jiān)測(cè)。在醫(yī)學(xué)上利用超聲波的多普勒效應(yīng)來(lái)檢查人體內(nèi)臟的活動(dòng)情況，血液的流速等。電磁波（光波）與聲波（超聲波）的多普勒效應(yīng)原理是一致的。本實(shí)驗(yàn)既可研究驗(yàn)證超聲波的多普勒效應(yīng)，并計(jì)算聲速，又可利用多普勒效應(yīng)將超聲探頭作為運(yùn)動(dòng)傳感器，研究物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹俊緦?shí)驗(yàn)?zāi)康摹?、測(cè)量超聲接收器運(yùn)動(dòng)速度與接收頻率之間的關(guān)系，驗(yàn)證多普勒效應(yīng)，并由fV關(guān)系直線的斜率求聲速。2、利用多普勒效應(yīng)測(cè)量物

3、體運(yùn)動(dòng)過(guò)程中多個(gè)時(shí)間點(diǎn)的速度，查看Vt關(guān)系曲線，或調(diào)閱有關(guān)測(cè)量數(shù)據(jù)，即可得出物體在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的速度變化情況，可研究：（1）自由落體運(yùn)動(dòng)，并由Vt關(guān)系直線的斜率求重力加速度。（2）簡(jiǎn)諧振動(dòng)，可測(cè)量簡(jiǎn)諧振動(dòng)的周期等參數(shù)，并與理論值比較。（3）勻加速直線運(yùn)動(dòng)，測(cè)量力、質(zhì)量與加速度之間的關(guān)系，驗(yàn)證牛頓第二定律。（4）其它變速直線運(yùn)動(dòng)?！緦?shí)驗(yàn)原理】【實(shí)驗(yàn)原理】1、超聲的多普勒效應(yīng)當(dāng)聲源與接收器之間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，接收器接收到的頻率f為：（1）221

4、10coscos??VuVuff???式中f0為聲源發(fā)射頻率，u為聲速，V1為接收器運(yùn)動(dòng)速率，α1為聲源接收器連線與接收器運(yùn)動(dòng)方向之間的夾角，V2為聲源運(yùn)動(dòng)速率，α2為聲源接收器連線與聲源運(yùn)動(dòng)方向之間的夾角（如圖1）。若聲源保持不動(dòng)，運(yùn)動(dòng)物體上的接收器沿聲源與接收器連線方向（=0）以速度V運(yùn)動(dòng)，則從（1）式?可得接收器接收到的頻率應(yīng)為：（2）VuffuVff0001???????????當(dāng)接收器向著聲源運(yùn)動(dòng)時(shí)，V取正，反之取負(fù)。若f0保

5、持不變，用光電門測(cè)量物體的運(yùn)動(dòng)速度V，并由儀器對(duì)接收器接收到的頻率f自動(dòng)計(jì)數(shù)，根據(jù)（2）式，作fV關(guān)系圖，若為直線，即可直觀驗(yàn)證多普勒效應(yīng)，且由實(shí)驗(yàn)測(cè)量點(diǎn)作直線，其斜率應(yīng)為k=f0u，由此可計(jì)算出聲速u=f0k。由（2）式可解出：（3）??????????10ffuV聲源接收器f0V1uf圖1超聲的多普勒效應(yīng)示意圖V2超聲的多普勒效應(yīng)示意a2超聲的多普勒效應(yīng)示意a1超聲的多普勒效應(yīng)示意35只LED燈閃爍電機(jī)控制器運(yùn)轉(zhuǎn)受阻（如：傳送帶安裝

6、過(guò)緊、外力阻礙小車運(yùn)動(dòng)），控制器進(jìn)入保護(hù)狀態(tài)排除外在受阻因素，手動(dòng)滑動(dòng)小車到控制器位置，恢復(fù)正常使用【實(shí)驗(yàn)內(nèi)容】【實(shí)驗(yàn)內(nèi)容】一、驗(yàn)證多普勒效應(yīng)并由測(cè)量數(shù)據(jù)計(jì)算聲速一、驗(yàn)證多普勒效應(yīng)并由測(cè)量數(shù)據(jù)計(jì)算聲速讓小車以不同速度通過(guò)光電門，儀器自動(dòng)記錄小車通過(guò)光電門時(shí)的平均運(yùn)動(dòng)速度及與之對(duì)應(yīng)的平均接收頻率。由儀器顯示的fV關(guān)系圖可看出速度與頻率的關(guān)系，若測(cè)量點(diǎn)成直線，符合（2）式描述的規(guī)律，即直觀驗(yàn)證了多普勒效應(yīng)。用作圖法或線性回歸法計(jì)算fV直線的

7、斜率k，由k計(jì)算聲速u并與聲速的理論值u0比較，計(jì)算其百分誤差。1、儀器安裝如圖3所示。所有需固定的附件均安裝在導(dǎo)軌上，將小車置于導(dǎo)軌上，使其能沿導(dǎo)軌自由滑動(dòng)，此時(shí)，水平超聲波發(fā)射器、超聲波接收器及紅外發(fā)射組件（已固定在小車上）、紅外接收器在同一軸線上。將組件電纜接入實(shí)驗(yàn)儀的對(duì)應(yīng)接口上。安裝完畢后，通過(guò)連接線給小車上的傳感器充電，第一次充電時(shí)間約6～8秒，充滿后(儀器面板充電燈變黃色或紅色)可以持續(xù)使用4～5分鐘。充電完成后連接線從小車

8、上取下，以免影響小車運(yùn)動(dòng)。實(shí)驗(yàn)前須調(diào)好皮帶松緊度，否則實(shí)驗(yàn)將無(wú)法進(jìn)行。皮帶的松緊度，直接影響小車在導(dǎo)軌上運(yùn)動(dòng)的質(zhì)量：皮帶過(guò)松，小車前進(jìn)距離很不正常，因?yàn)閹?dòng)皮帶的主動(dòng)能與皮帶之間打滑，小車自動(dòng)返回后與控制器存在碰撞，有時(shí)候會(huì)出現(xiàn)較為劇烈的碰撞；當(dāng)皮帶過(guò)緊時(shí)小車前進(jìn)速度較慢，也出現(xiàn)小車前進(jìn)距離較近，小車后退時(shí)，運(yùn)動(dòng)吃力，容易使控制器進(jìn)入保護(hù)狀態(tài)，出現(xiàn)5個(gè)發(fā)光二極管閃爍，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)手動(dòng)滑動(dòng)小車到控制器位置，恢復(fù)正常使用。小車自動(dòng)后退

9、完成后，小車車體后端磁鋼距離控制器表面應(yīng)在115mm之間。如果不是這個(gè)距離，應(yīng)調(diào)節(jié)皮帶松緊度后，再做實(shí)驗(yàn)。注意事項(xiàng)：注意事項(xiàng)：（1）安裝時(shí)要盡量保證紅外接收器、小車上的紅外發(fā)射器和超聲接收器、超聲發(fā)射器三者之間在同一軸線上，以保證信號(hào)傳輸良好；（2）安裝時(shí)不可擠壓連接電纜，以免導(dǎo)線折斷；（3）小車不使用時(shí)應(yīng)立放，避免小車滾輪沾上污物，影響實(shí)驗(yàn)進(jìn)行。圖3實(shí)驗(yàn)裝置示意圖2、測(cè)量準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)儀開機(jī)后，首先要求輸入室溫。因?yàn)橛?jì)算物體運(yùn)動(dòng)速度時(shí)要代入