黃嘉林 周紋因

摘 ? 要：文章利用單片機(jī)制作了一款可以定量探究超聲波多普勒效應(yīng)的裝置，可以將此裝置用于實(shí)際的教學(xué)活動(dòng)中。

關(guān)鍵詞：多普勒效應(yīng);超聲波;定量探究;單片機(jī)

中圖分類號(hào)：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ?文章編號(hào)：1003-6148（2019）11-0051-2

2017年版《普通高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)》對(duì)《多普勒效應(yīng)》一節(jié)提出的內(nèi)容要求有：“通過實(shí)驗(yàn)，認(rèn)識(shí)多普勒效應(yīng)?！苯處熢谡n堂上演示多普勒效應(yīng)多數(shù)采用定性的分析，例如，用運(yùn)動(dòng)的蜂鳴器或音叉讓學(xué)生感受聲音的變化。但是，學(xué)生定性地感覺音調(diào)變化有時(shí)候現(xiàn)象并不明顯。筆者用超聲波作為波源，制作了可以定量探究多普勒效應(yīng)的裝置。

1 ? ?實(shí)驗(yàn)原理

當(dāng)波源與觀察者相互遠(yuǎn)離或靠近的過程中，觀察者接收到的頻率會(huì)與波源的頻率不同，這種現(xiàn)象稱為多普勒效應(yīng)，其定量關(guān)系如下[1]：

其中，f'為觀察者接收到的頻率，f為波源的頻率，u為聲速， v 為觀察者的運(yùn)動(dòng)速度， v 為波源的速度。

2 ? ?超聲波多普勒效應(yīng)演示儀的制作與操作

超聲波多普勒效應(yīng)演示儀的結(jié)構(gòu)如圖1、圖2所示，基本的原理是：超聲波發(fā)射頭發(fā)出固定頻率的超聲波，超聲波接收頭接收超聲波的信號(hào)，利用單片機(jī)對(duì)信號(hào)處理，接收到的超聲波信號(hào)頻率將會(huì)顯示在數(shù)碼管上。

2.1 ? ?材料

信號(hào)發(fā)生器模塊（3000～4000 kHz）、功放、超聲波收發(fā)頭、八位數(shù)碼管模塊、電池、單片機(jī)、導(dǎo)軌、軸承。

2.2 ? ?制作過程

按圖3連接好模塊，在導(dǎo)軌上安裝超聲波發(fā)射頭和超聲波接收頭，讓超聲波發(fā)射頭和超聲波接收頭可以在導(dǎo)軌上運(yùn)動(dòng)（圖4）。

3 ? ?實(shí)驗(yàn)步驟

1.接通裝置的電源，調(diào)試無(wú)誤后可以開始演示。

2.選取固定頻率的超聲波發(fā)射源，這里選取的是39 004 Hz，在導(dǎo)軌上讓超聲波發(fā)射頭、接收頭處于相對(duì)靜止或相對(duì)運(yùn)動(dòng)的狀態(tài)，可以記錄顯示屏上超聲波接收頭的讀數(shù)。

（1）當(dāng)觀察者與波源都靜止的時(shí)候，觀察者接收到的頻率不變。

（2）當(dāng)觀察者靜止，波源靠近觀察者的時(shí)候，觀察者接收到的頻率變高。

（3）當(dāng)觀察者靜止，波源遠(yuǎn)離觀察者的時(shí)候，觀察者接收到的頻率變低（圖5）。

實(shí)驗(yàn)探究的過程中，可以改變不同的實(shí)驗(yàn)條件，測(cè)得的數(shù)據(jù)如表1。

由實(shí)驗(yàn)測(cè)量可以觀察到利用該裝置可以探究多普勒效應(yīng)的現(xiàn)象。

4 ? ?超聲波多普勒效應(yīng)演示儀的優(yōu)點(diǎn)

4.1 ? ?可以實(shí)現(xiàn)定量探究多普勒效應(yīng)

目前關(guān)于多普勒效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)，大多都是運(yùn)用蜂鳴器或音叉的定性實(shí)驗(yàn)，少數(shù)關(guān)于聲音的多普勒效應(yīng)的現(xiàn)象也并不是太明顯。本實(shí)驗(yàn)裝置用超聲波作為波源，可以更加直觀、明顯地定量探究多普勒效應(yīng)的現(xiàn)象。

4.2 ? ?演示簡(jiǎn)單，可操作性強(qiáng)

現(xiàn)有關(guān)于聲波多普勒效應(yīng)的定量演示實(shí)驗(yàn)大多比較麻煩[2]，在課堂上探究效率較低。本實(shí)驗(yàn)裝置制作完成之后，只需要移動(dòng)波源和觀察者，學(xué)生就可以直接在顯示屏上看到觀察者接收到的頻率的變化。

4.3 ? ?現(xiàn)象直觀、明顯，利于學(xué)生探究規(guī)律

頻率的變化直接顯示在數(shù)碼管上，方便學(xué)生觀察。同時(shí)，超聲波的發(fā)射頭及接收頭可以實(shí)現(xiàn)波源與觀察者多種不同的運(yùn)動(dòng)情況，讓學(xué)生可以在不同情況下充分地探究波源與觀察者相對(duì)運(yùn)動(dòng)過程中觀察者接收到的頻率變化。

4.4 ? ?改進(jìn)性強(qiáng)

運(yùn)用多普勒效應(yīng)測(cè)量運(yùn)動(dòng)物體的速度在日常生活中有著廣泛的應(yīng)用，教師可以繼續(xù)改進(jìn)本裝置的程序，將速度計(jì)算公式加入到程序當(dāng)中，根據(jù)需求測(cè)量出波源或觀測(cè)者的速度，作為講解多普勒效應(yīng)測(cè)速原理的應(yīng)用教具。

5 ? ?結(jié) ?語(yǔ)

本文介紹的超聲波多普勒效應(yīng)演示儀材料易得，演示方便，現(xiàn)象明顯，適用于中學(xué)物理課堂的演示實(shí)驗(yàn)或探究實(shí)驗(yàn)，配合課堂進(jìn)行教學(xué)活動(dòng)。此外，還可以作為學(xué)生課外的科技活動(dòng)項(xiàng)目，激發(fā)學(xué)生對(duì)物理的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力，拓展學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解和應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：

[1]漆安慎，杜嬋英.普通物理學(xué)教程（力學(xué)）[M].北京：高等教育出版社，2012：355-358.

[2]吳月江，汪維澄，劉彬生.演示多普勒效應(yīng)的幾種實(shí)驗(yàn)方法[J].教學(xué)儀器與實(shí)驗(yàn)，2006（10）：16-20.

（欄目編輯 ? ?王柏廬）