多普勒效应

1、多普勒效应【实验目的】1、丈量超声接收器运动速度与接收频率之间的关系，考据多普勒 效应，并由fV关系直线的斜率求声速。2、利用多普勒效应丈量物体运动过程中多个时间点的速度，查察V t关系曲线，或调阅相关丈量数据，即可得出物体在运动过程中的速度变化状况，研究：匀加快直线运动，丈量力、质量与加快 度之间的关系，考据牛顿第二定律。实验原理1、超声的多普勒效应依据声波的多普勒效应公式，当声源与接收器之间有相对运动时，接收器接收到的频率f为：(1 )式中兀为声源发射频率，日为声速，V1为接收器运动速率，a 1为声源与接 收器连线与接收器运动方向之间的夹角，V为声源运动速率，a 为声源与接收2 2器连线与声源运动方向之间的夹角。若声源保持不动，运动物体上的接收器沿声源与接收器连线方向以速度V运动, 则从(1)式可得接收器接收到的频率应为：/加+叽(2)图2丈量阻尼振动当接收器向着声源运动时，V取正，反之取负。若麻持不变，以光电门丈量物体的运动速度，并由仪器对接收器接收到的频 率自动计数，依据(2 )式，作f V关系图可直观考据多普勒效应，且由 实验点作直线，其斜率应为 K 応工，由此可计算作声速兀

2、。由(2)式可解出：卩応/仏一。(3)若已知声速 及声源频率，经过设置使仪器以某种时间间隔对接收器接收到的频 率 采样计数，由微办理器按（3 ）式计算出接收器运动速度，由显示屏显 示咲系图（如图2 ），或调阅相关丈量数据，即可得出物体在运动过程中的速 度变化状况，从而对物体运动状况及规律进行研究。VH-t存储Z丄 用乩心12、超声的红外调制与接收初期产品中，接收器接收的超声信号由导线接入实验仪进行办理。因为超 声接收器安装在运动体上，导线的存在对运动状态有必定影响，导线的折断也 给使用带来麻烦。新仪器对接收到的超声信号采纳了无线的红外调制-发射-接收 方式。即用超声接收器信号对红外波进行调制后发射，固定在运动导轨一端 的红外接收端接收红外信号后，再将超声信号解调出来。因为红外发射/接收的过程 中信号的传输是光速，远远大于声速，它惹起的多谱勒效应可忽视不计。采纳此技术将实验中运动部分的导线去掉，使得丈量改正确，操作更方便。信 号的调制-发射-接收-解调，在信号的无线传输过程中是一种常用的技术。实验仪器【实验仪器及简介】多普勒效应综合实验仪由实验仪，超声发射/接收器，红外发射/接收器，导轨

3、，运 动小车，支架，光电门，电磁铁，弹簧，滑轮，砝码等构成。实验仪内置微办理器， 带有液晶显示屏，图1为实验仪的面板图。实验仪采纳菜单式操作，显示屏显示菜单及操作提示，由p q t u键选择菜单或改正参数，按“确认”键后仪器履行。可在“盘问”页面，盘问到在实验时已保存的实验 的数据。操作者只须按提示即可达成操作，学生可把时间和精力用于物理看法 和研究对象，不用花大批时间熟习特定的仪器使用，提升了课时利用率。实验内容考据多普勒效应并由丈量数据计算声速让小车以不一样速度经过光电门，仪器自动记录小车经过光电门时的均匀运动速 度及与之对应的均匀接收频率。由仪器显示的f V关系图可看出，若丈量点成直 线，吻合（2 ）式描述的规律，即直观考据了多普勒效应。用作图法或线性回 归法计算f V直线的斜率k，由k计算声速并与声速的理论值比较，计算其相 对偏差。光电门支架蛆件电磁阀支架钢件水平潸轮导軌卞支架粗件注码组件2实普勒誠应验证尖验及垦小车水平运动安寢示意固虹外耀收水平僅感捷 主器組件器接收绘枠架时仪器安装调节光电门的鬲虧 中骼很厮*的从光电门中霽辻E3光电门的安装段鬲度调节示意如图2所示。全部需固定

4、的附件均安装在导轨上，并在双侧的安装槽上固定。调理水 平超声传感发生器的高度，使其与超声接收器（已固定在小车上）在同一个平面上， 再调整红外接收传感器高度和方向，使其与红外发射器（已固定在小车上）在同一轴 线上。将组件电缆接入实验仪的对应接口上。安装达成后，让电磁铁吸住小车，给小车上的传感器充电，第一次充电时间约68秒，充满后（仪器面板充电灯变绿色）可以连续使 用45分钟。在充电时要注意，一定让小车上的充电板和电磁铁上的充电针接触优异。注意事项】 安装时要尽量保证红外接收器、小车上的红外发射器和超声接收器、超声发 射器三者之间在同一轴线上，以保证信号传输优异； 安装时不行挤压连接电缆，省得导线折断； 小车不使用时应立放，防备小车滚轮沾上污物，影响实验进行。二丈量准备1 实验仪开机后，第一要求输入室温。因为计算物体运动速度时要代入声速， 而声速是温度的函数。利用t u将室温T值调到实质值，按“确认”。2 第二个界面要求对超声发生器的驱动频率进行调谐。在超声应用中，需要将发生器与接收器的频率般配，并将驱动频率调到谐振频率，这样接收器获取的信号幅度才最强，才能有效的发射与接收超声波。一般 在

5、40KHz左右。调谐好后, 面板上的锁定灯将熄灭。3 电流调至最大值后，按“确认”。本仪器全部操作，均要按“确认”键后， 数据才被写入仪器。【注意事项】 须待磁铁吸住小车后，再开始调谐。此时超声发生器和接收器的距离最远， 保证其在最大距离下的信号强度； 调谐及实验进行时，须保证超声发生器和接收器之间无任何阻截物； 为保证使用安全，三芯电源线须靠谱接地。1 在液晶显示屏上，选中“多普勒效应试据实验”，并按“确认”；2利用u键改正测试总次数（选择范围510，一般选5次），按，选中“开 始测试”；3 准备好后，按“确认”，电磁铁开释，测试开始进行，仪器自动记录小车 经过光电门时的均匀运动速度及与之对应的均匀接收频率；改变小车的运动速度，可用以下两种方式：a 砝码牵引：利用砝码的不一样组合实现；b 用手推进：沿水平方向对小车施以变力，使其经过光电门。为便于操作，一般由小到大改变小车的运动速度。4 每一次测试达成，都有“存入”或“重测”的提示，可依据实质状况选择， “确认”后回到测试状态，并显示测试总次数及已达成的测试次数；5 改变砝码质量（砝码牵引方式），并退回小车让磁铁吸住，按“开始”， 进

6、行第二次测试；6.达成设定的丈量次数后，仪器自动储存数据，并显示fV关系图及丈量数据。【注意事项】小车速度不行太快，以防小车脱轨跌落损坏。数据办理数据记录与办理由f V关系图可看出，若丈量点成直线，吻合（2 ）式描述的规律，即直 观考据了多普勒效应。用键选中“数据”，键翻阅数据并记入表1中，用作图法或线性回归法计算f V关系直线的斜率k。公式（4 ）为线性回归法计算k值的公式，此中丈量次数 （4 ）i = 5 n，n W10。由k计算声速=f 0/k，并与声速的理论值比较，声速理论值由=331(1 + t/273) 1/2 ( 米/秒)计算，t表示室温。丈量数据的记录是仪器自动进行的。在 丈量达成后，只需在出现的显示界面上，用 键选中“数据”，键翻阅数据并记入 表1中，而后依据上述公式计算出相关结果并填入表格。1、多普勒效应的考据与声速的丈量表1多普勒效应的考据与声速的丈量讥= Hz丈量数据直线斜率声速丈量值声速理论相对偏差值次数123456口X(Hz)用作图法或线性回归法计算/卩关系直线的斜率士，由丘计算声速。并与 声速的理论值比较，声速理论值由31(11 273)1 :( 米/秒)计算，*表示室温。2、水平谐振实验自拟表格，记录30组速度随时间变化关系的数据。

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