多普勒效应演示仪的结构及原理优化

　　摘  要：　对现有多普勒效应演示仪进行了改进.改进后的演示仪利用偏心电机带动振子振动, 作为演示仪的振源, 使振子在水槽来中水平移动进而获得多普勒效应.同时, 为了方便观察, 使用了频闪光源和45°平面镜将多普勒效应图像呈现在竖直毛玻璃屏上.

　　关键词：　多普勒效应; 振子; 振源;
 

　　Abstract：　Aiming at the existing shortcomings of the Doppler effect demonstrator, an improved measure was adopted.The improved demonstrator used eccentric motor to drive the vibrator as vibration source, and made the vibrator move in the horizontal direction in the sink.Then the Doppler effect was observed.In order to observe conveniently, a flash source and a 45°mirror were used to display the Doppler effect on the frosted glass.

　　Keyword：　Doppler effect; vibrator; vibration source;

　　1、 原有仪器的不足

　　在当前高中物理教学中, 关于多普勒效应的演示大都是声学演示[1], 声学演示虽然能够反映日常生活中多普勒效应现象, 但是演示效果不直观, 学生理解起来也比较困难.一些仪器利用多普勒效应的水波特性进行演示, 实验操作较为简单、实验成功率高、可操作性强, 但教具制作较难, 所以每种演示仪都有其自身的优点与不足之处.在文献[2]中介绍的“多普勒效应演示仪”利用质量分布不均的带孔扇叶转动来带动振子作周期性的振动作为振源, 演示仪的设计思路新颖, 仪器结构及实验操作简单, 但是在实际操作过程中也存在明显的不足:1) 当扇叶转动较快时, 振子和扇叶之间的连接容易出现偏离, 振源的稳定性较差, 演示多普勒效应时容易产生较大的实验误差;2) 实验现象显现位置处于水槽的正下方, 在物理课堂教学过程中, 不便于学生观察实验现象.文献[3]中“基于自制教具的水波多普勒效应实验探究”的实验装置, 可长时间观察稳定的多普勒效应, 并能进行半定量分析.但该实验器材采用的是老式幻灯机的散光板和透镜反光镜来实现多普勒效应图样演示, 仪器制作成本较高, 制作也较为复杂.学生理解时只会将其理解为特殊的教学演示仪, 难以激发学生从生活出发开展自制教具的兴趣.

　　2、 改进演示仪的结构及原理

　　改进的多普勒效应演示仪主要使用2个直流电机, 一个电机带动带孔扇叶转动得到频闪光源;另一个则使用偏心电机带动振子作周期性振动得到振源.演示仪结构如图1所示, 在演示仪的底座上方为有机玻璃制作的长方形水槽, 水槽内水面刚好与振子顶端接触.在弹性金属片上安装偏心电机制成振子, 通过调节偏心电动机电压大小来改变振子的振动频率.振子安装在金属座上, 金属座放置在滑板上, 滑板下面固定2根滑槽, 演示时推动滑槽可使振子在水槽中移动, 得到多普勒效应, 移动速度越快, 多普勒效应越明显.水槽的左侧上方安装频闪光源, 频闪光源是由电机带动带孔的圆形扇叶旋转, 射灯的光线透过扇叶上的圆孔后可在水槽中得到具有一定频率的频闪光源.演示时调节偏心电机的工作电压使其振动频率与频闪光源频率一致, 移动振子就可在水槽中观察到清晰的多普勒效应水波图样.为了方便学生正面观察, 仪器在水槽的下方45°角放置了平面反射镜, 平面反射镜的正前方竖直安放了毛玻璃板, 在水槽中形成的多普勒图像通过镜面反射便可在毛玻璃屏上进行观察.演示得到的多普勒图像如图2所示.此外, 通过更换振子还可演示水波干涉现象, 干涉图样明显直观, 演示效果好, 得到的干涉图像如图3所示.

　　图1 多普勒效应演示仪实物图

　　图2 多普勒效应演示图像

　　图3 水波干涉演示图像

　　3、 演示仪的操作步骤

　　在演示多普勒效应时, 首先在水槽内加入适量的清水, 然后使振子顶端刚好接触水面, 将偏心直流电机电压调到最小.打开偏心电动机电源开关, 观察水面形成的波纹是否稳定.逐步调节偏心电机的工作电压, 待波纹稳定之后, 打开频闪电源开关, 此时在毛玻璃板上可观察到清晰的波纹, 波纹一圈一圈向外扩散, 即多普勒效应情况之一 (波源、接受者都不动) .然后推动振子滑槽向左移动, 当振子在水槽中移动的过程中可观察到波纹左密右疏, 即多普勒效应情况之二 (接受者不动, 波源运动) .

　　在演示波的干涉现象时, 待水面稳定之后, 更换振源振子, 改用为双振子, 使振子两端头同时接触水面.打开偏心电机电源开关, 再打开频闪电源开关, 调节偏心电动机的电压, 待毛玻璃板上形成稳定清晰的水波干涉图样即可.最后引导学生观察总结, 在干涉图样中, 2列波交汇处为光亮点, 这些点是波的加强点.

　　4、 演示仪优点

　　改进后的多普勒效应演示仪主要有优点为:

　　1) 采用偏心电动机带动振子振动作为振源, 结构简单, 制作方便, 成本低, 振动频率调节简单, 得到的振动频率稳定, 干扰小;
　　2) 用带孔的圆形旋转叶片通过不断的透光、遮光来得到频闪光源简单易得;
　　3) 通过45°角的平面镜将水平面的波动图像反射到竖直方向的毛玻璃屏上, 方便学生观察;
　　4) 通过更换振子不仅可演示多普勒效应还可演示波的干涉现象, 一物多用;
　　5) 教具操作性强, 安全性好, 演示效果明显.

　　5、 结束语

　　为了更好地创设物理情境, 开展物理教学, 需要广大物理教师制作教具用于教学.要使制作的教具能很好满足教学需要就需要我们在自制教具的过程中学会取长补短, 善于发现问题、思考问题、解决问题.与此同时, 要通过不断学习使自己的教具制作创新意识应不断增强, 创新能力不断提高.在物理教学过程中教师如能充分运用自制教具开展新课教学, 不仅能很好地创设物理学习情境, 引起学生注意, 唤起学生思考, 加深学生对所学知识的理解, 还能培养学生兴趣, 激发学生求知欲.

　　参考文献：

　　[1]姜洪喜, 任敦亮.声波多普勒效应演示实验[J].物理实验, 2006, 26 (9) :36-37.
　　[2]周笑梦, 韦韧, 苏立明.多普勒效应演示仪[J].大学物理实验, 1995 (2) :50-51.
　　[3]刘杰.基于“水波多普勒效应实验仪”的实验探究[J].高中数理化, 2013 (20) :43-44.