多普勒效應(yīng)測量變速度實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)論文
摘要：本文介紹了設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)“多普勒效應(yīng)研究變速度運(yùn)動(dòng)”, 該實(shí)驗(yàn)要求學(xué)生理解多普勒效應(yīng)測量速度的原理， 利用多普勒效應(yīng)及聲速綜合測試儀、智能控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)儀器， 設(shè)計(jì)出一套多普勒效應(yīng)測量變速度的實(shí)驗(yàn)裝置， 并利用該實(shí)驗(yàn)裝置測量簡諧運(yùn)動(dòng)物體的速度。
關(guān)鍵詞：多普勒效應(yīng)； 設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)； 大學(xué)物理；
大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)作為培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力的重要環(huán)節(jié)， 應(yīng)當(dāng)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(xí)環(huán)境， 使其在實(shí)驗(yàn)過程中充分發(fā)揮自身的主觀能動(dòng)性， 積極主動(dòng)地思考、分析問題。尤其是在研究性創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)教學(xué)中， 學(xué)生需要自己完成閱讀文獻(xiàn)資料、擬定實(shí)驗(yàn)方案、配置實(shí)驗(yàn)設(shè)備、制作儀器部件或搭建電子線路、測量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果、完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告等工作， 這種注重培養(yǎng)學(xué)生科研能力的做法， 有利于學(xué)生的開拓精神和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。[1,2]
為此， 大學(xué)物理設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)中， 應(yīng)用多普勒效應(yīng)及聲速綜合測試儀 （DH-DPL） 以及智能運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)出一套簡易的多普勒效應(yīng)測量變速運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)裝置， 開展多普勒效應(yīng)相關(guān)的設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)， 以培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立設(shè)計(jì)物理實(shí)驗(yàn)的能力。本實(shí)驗(yàn)要求學(xué)生自主完成三部分內(nèi)容：一是理解多普勒效應(yīng)測量物體運(yùn)動(dòng)速度的原理， 二是完成實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)， 三是測量變速運(yùn)動(dòng)物體的運(yùn)動(dòng)速度及分析。
1 多普勒效應(yīng)測量物體運(yùn)動(dòng)速度實(shí)驗(yàn)原理
波源和觀察者相對傳播波的介質(zhì)靜止時(shí)， 觀察者接收到的頻率和波源發(fā)出的頻率是相同的。當(dāng)波源或觀察者或兩者都相對于介質(zhì)運(yùn)動(dòng)時(shí)， 觀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(xiàn)象叫做多普勒效應(yīng)。[3,4,5]
設(shè)波傳播的速度為， 波源以源相對于介質(zhì)向觀察者運(yùn)動(dòng) （遠(yuǎn)離速度取負(fù)值） , 觀察者以觀相對于介質(zhì)向波源運(yùn)動(dòng) （遠(yuǎn)離速度取負(fù)值） , 則接收頻率為
如果觀察者與波源的運(yùn)動(dòng)方向不在兩者連線上， 只要將速度沿連線上分量代入 （1） 式即可。
2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
本實(shí)驗(yàn)裝置由多普勒效應(yīng)及聲速綜合測試儀、智能控制系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌、超聲換能器、小車等組成。調(diào)節(jié)運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌水平， 小車由智能控制系統(tǒng)控制可在軌道上做勻速、變速運(yùn)動(dòng)。
將一個(gè)超聲換能器置于軌道一端， 并與多普勒效應(yīng)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；小車放置于軌道上， 由智能控制系統(tǒng)控制做各種運(yùn)動(dòng)；將另一個(gè)超聲換能器放置于小車上， 該換能器與多普勒效應(yīng)及聲速綜合測試儀中接收端相連。當(dāng)小車運(yùn)動(dòng)時(shí)， 由測試儀測出小車上的接收端接受的頻率， 這個(gè)實(shí)驗(yàn)中波源沒有運(yùn)動(dòng)， 觀察者向著波源運(yùn)動(dòng)， 因此，
由 （2） 式知， 只需測出觀察者接收到的頻率便可得到觀察者相對于介質(zhì)向波源運(yùn)動(dòng)得速度觀。
3 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容
3.1 實(shí)驗(yàn)裝置連接
將測試架上“發(fā)射換能器”與多普勒效應(yīng)及聲速綜合測試儀 （DH-DPL） 上的“發(fā)射端換能器”連接， 小車上“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1與DH-DPL1上的光電門相接， 測試架上光電門2與智能控制系統(tǒng)上的光電門相接， 測試架上電機(jī)控制與智能控制系統(tǒng)上的相應(yīng)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(qiáng)度”及“接收增益”調(diào)到最大。
3.2 發(fā)射信號調(diào)節(jié)及測頻
進(jìn)入“多普勒效應(yīng)實(shí)驗(yàn)”畫面后， 先“設(shè)置源頻率”, 增減信號頻率， 一次變化10Hz同時(shí)觀察示波器的波形， 當(dāng)接收波形達(dá)最大時(shí)即已設(shè)好。接著進(jìn)入“變速運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)”, 設(shè)置采點(diǎn)數(shù)為160 （根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要可設(shè)置其它值） , 設(shè)置采樣步距為65ms （根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要可設(shè)置其它值） .智能控制系統(tǒng)提供了勻速、勻變速及簡諧運(yùn)動(dòng)等運(yùn)動(dòng)模式， 這里我們以簡諧運(yùn)動(dòng)為例進(jìn)行說明， 在變速模式下， 調(diào)節(jié)智能控制系統(tǒng)使小車進(jìn)行簡諧運(yùn)動(dòng)， 有7種變速運(yùn)動(dòng)模式， 顯示為ACC1至ACC7, 選擇其中之一進(jìn)行實(shí)驗(yàn)， 之后調(diào)節(jié)DH-DPL上“開始測量”, 可測出小車運(yùn)動(dòng)時(shí)接收器接受的頻率。
3.3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)整理分析
根據(jù) （3） 式， 可計(jì)算出小車的瞬時(shí)速度， 由采樣步距為65ms, 可作出小車運(yùn)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， 模式ACC1、ACC2、ACC3、ACC4的運(yùn)動(dòng)周期基本一致， 而ACC5、ACC6、ACC7的運(yùn)動(dòng)周期越來越小。
為了更進(jìn)一步研究簡諧運(yùn)動(dòng)， 可對所得速度曲線進(jìn)行擬合， 運(yùn)用軟件Origin進(jìn)行擬合， 擬合公式為擬合結(jié)果如表1所示。
由簡諧運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力學(xué)方程， 速度隨時(shí)間變化關(guān)系為， 由此可得小車做簡諧運(yùn)動(dòng)的振幅為， 從表1中可知模式ACC1、ACC2、ACC3、ACC4的運(yùn)動(dòng)振幅基本相同， 而ACC5、ACC6、ACC7的`振幅越來越小， 這與實(shí)驗(yàn)中觀察到的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象基本吻合。
4 結(jié)論
本文介紹的“多普勒效應(yīng)研究變速度運(yùn)動(dòng)”, 應(yīng)用多普勒效應(yīng)研究了簡諧運(yùn)動(dòng)， 通過測量出小車上換能器的接收頻率間接測出了小車的運(yùn)動(dòng)速度， 可運(yùn)用多種方法對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。本文例舉了用軟件Origin進(jìn)行擬合， 得出小車運(yùn)動(dòng)速度隨時(shí)間的變化關(guān)系及小車在各種模式下的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。而該實(shí)驗(yàn)裝置還可設(shè)計(jì)用于研究勻速直線運(yùn)動(dòng)、勻加 （減） 速直線運(yùn)動(dòng)、測量距離等等。通過完成該實(shí)驗(yàn)， 學(xué)生對多普勒效應(yīng)有了更深刻的理解， 也可鍛煉學(xué)生自主設(shè)計(jì)新實(shí)驗(yàn)的能力， 培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和動(dòng)手能力， 是非常適合作為設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)的一個(gè)項(xiàng)目。
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