趙婷婷,周 杰,武志雄,王 萌,田海川

（太原工業(yè)學(xué)院理學(xué)系,山西太原 030008）

多普勒效應(yīng)是生活中一種常見的現(xiàn)象，在講解多普勒效應(yīng)公式時，涉及到波源的運動和接收者的運動情況，知識相對抽象。教師若不配合相應(yīng)的教具來輔助教學(xué)的話，學(xué)生便不能全面理解公式的含義[1]。在物理演示實驗中，大多通過水波的波動來演示多普勒效應(yīng)，在開拓學(xué)生眼界的同時加深學(xué)生對該效應(yīng)的理解和掌握，從而激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)物理的求知欲望。但在教學(xué)中發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有技術(shù)中的裝置大多結(jié)構(gòu)繁瑣，操作復(fù)雜，不易于學(xué)生親自操作，而且儀器制作和生產(chǎn)成本較高，導(dǎo)致教學(xué)經(jīng)費過高，不利于教學(xué)普及[2-4]。

太原工業(yè)學(xué)院物理創(chuàng)新實驗班作為教學(xué)試點，師生們探索了一種以主題式、研究式教學(xué)項目為載體的新模式，其以學(xué)生為主體，教師為主導(dǎo)的改革實踐得以順利實施。

對于多普勒效應(yīng)演示儀的上述問題，創(chuàng)新實驗班的師生利用多普勒改革效應(yīng)原理設(shè)計了一種新型的多普勒效應(yīng)演示儀，其結(jié)構(gòu)簡單，便于生產(chǎn)和安裝，不僅易于學(xué)生操作，而且制作成本較低，更有利于普及和使用。

1 多普勒效應(yīng)原理

在公路上高速行駛的汽車鳴笛迎面而來時，我們聽到的喇叭音調(diào)變高；當(dāng)汽車鳴笛遠(yuǎn)離我們而去時，我們聽到的音調(diào)變低，這就是聲波的多普勒效應(yīng)。多普勒效應(yīng)不僅僅適用于聲波，它也適用于所有類型的波，包括電磁波?？茖W(xué)家愛德文·哈勃發(fā)現(xiàn)遠(yuǎn)離銀河系的天體發(fā)射的光線頻率變低，即移向光譜的紅端，稱為紅移，天體離開銀河系的速度越快紅移越大，這就是利用多普勒效應(yīng)得出宇宙正在膨脹的結(jié)論。

如果波源(或觀測者，或兩者)相對于介質(zhì)運動，觀測者接收到的頻率不再與波源發(fā)出的頻率相同。這種由于波源(或觀測者，或兩者)相對于介質(zhì)運動，而使觀測者接收到的頻率發(fā)生變化的現(xiàn)象，是多普勒(C.J.Doppler)于1842 年發(fā)現(xiàn)的，故稱為多普勒效應(yīng)。

為簡便起見，假定波源和觀測者在同一直線上運動，波源相對于介質(zhì)的速度為vs，觀測者相對于介質(zhì)的速度為vR，波在媒質(zhì)中傳播的速度為u。波源的頻率為vS，觀測者接收到的頻率為vR，波的頻率為v。觀測者接收到的頻率為

式中，當(dāng)波源和觀測者相向運動時，vR和vs取正號；當(dāng)波源和觀測者相互遠(yuǎn)離時，vR和vs取負(fù)號。式(1)是機械波的縱向波源和觀測者在同一波線上運動的多普勒效應(yīng)公式。

2 多普勒效應(yīng)演示儀的設(shè)計

針對多普勒效應(yīng)，我們設(shè)計了一種新型的演示儀，用來輔助教學(xué)，其結(jié)構(gòu)簡單，便于生產(chǎn)和安裝，易于學(xué)生理解操作，而且制作成本較低。

設(shè)計的多普勒效應(yīng)演示儀，其結(jié)構(gòu)見圖1和圖2。

圖1 結(jié)構(gòu)設(shè)計圖

圖2 結(jié)構(gòu)俯視圖

此多普勒效應(yīng)演示儀，主要包括玻璃箱，曲桿，滑槽，球形激發(fā)頭，頻閃燈，吸波材料等。底板上方開設(shè)有第一滑槽，在第一滑槽的內(nèi)部滑動卡接著第一滑塊，第一滑塊的側(cè)面連接著第一螺紋桿，將第一螺紋桿與左端底板1 轉(zhuǎn)動相連，為了使紅色頻閃燈22 便于觀察測量，我們在底板的下方放置有玻璃箱，在玻璃箱的內(nèi)壁放置有吸波層，將紅色頻閃燈固定于吸波層的內(nèi)壁上，玻璃箱底部安裝有刻度尺，用于測量波長，玻璃箱的頂部裝有第二滑塊，和第二螺紋桿相連接，使用者可以通過第二螺紋桿調(diào)節(jié)玻璃箱的位置，在曲桿的右側(cè)安裝有驅(qū)動電機，驅(qū)動電機的連接有豎桿，在豎桿的底端接有球形激發(fā)頭，這樣在驅(qū)動電機的帶動下，豎桿和球形激發(fā)頭就可以震動進而帶動玻璃箱內(nèi)部的水產(chǎn)生波紋。

在使用該多普勒效應(yīng)演示儀時，可以分別演示出單一波源運動，單一接收者運動以及二者都相對運動的實驗現(xiàn)象。演示時，首先在玻璃箱中放入適量的清水，接通驅(qū)動電機帶動球形激發(fā)頭震動，進而使得液體產(chǎn)生波動。實驗中將頻閃燈打開，為方便實驗人員觀測水波波長變換，可利用刻度尺讀出波長值。調(diào)節(jié)第一驅(qū)動螺紋桿使得驅(qū)動電機運動，帶動激發(fā)球運動，相當(dāng)于演示波源運動的情況；調(diào)節(jié)第二螺紋桿，使得玻璃箱運動，相當(dāng)于接收者運動的情況；同時調(diào)節(jié)第一和第二螺紋桿，使得玻璃箱和激發(fā)球相對運動，就可以觀察到波源和接收者同時運動的情況。

3 結(jié)語

近年來，教育部提出進一步深化中國高等教育改革，實施質(zhì)量工程，走內(nèi)涵提升道路。太原工業(yè)學(xué)院物理創(chuàng)新實驗班正是響應(yīng)教育部的號召，以培養(yǎng)基礎(chǔ)扎實、思路開闊、實踐能力強、理工結(jié)合的創(chuàng)新型人才為教學(xué)目標(biāo)而創(chuàng)建的。其教學(xué)模式從傳統(tǒng)的封閉、制約、剛性向開放、激勵、彈性轉(zhuǎn)變，注重創(chuàng)新實踐。探索一種以學(xué)生為主體，教師為主導(dǎo)，以主題式、研究式教學(xué)項目為載體的新模式，鼓勵學(xué)生參與創(chuàng)新實驗，制作教學(xué)中的演示儀器，對現(xiàn)有儀器進行改進。在前期工作中，學(xué)生已完成諸如“液體表面張力系數(shù)測定儀的改進”（2019年大創(chuàng)項目，國家級2019620）的探究，撰寫了相關(guān)論文。

文中所涉及的多普勒效應(yīng)可視化演示儀，是實驗班學(xué)生在老師的輔助下，提出并設(shè)計的，整體設(shè)計結(jié)構(gòu)簡單，操作易上手。