水滴激发式多普勒效应演示器的研究

项目由来

在物理教学中，多普勒效应多用声波、光波演示，教具复杂。而利用水波演示多普勒效应，简便实用。我受输液滴管启发，研究设计了水滴激发式多普勒效应演示器，通过红光、蓝光光源使水波波纹带颜色，用输液管调节水滴，利用水滴代替机械振子，激发水波作为波源。移动水滴激发器，可以观察波形变化。同时还可以演示水波的干涉、衍射现象。

研制过程

初期设计是利用滴管水波槽演示水波干涉、衍射现象，由于演示效果差，后加入红蓝灯频闪，使水波带颜色。在移动波源时，发现用这个方法演示多普勒效应更有意义。我在研制过程中采用了以下科学方法：

一是采用逆向思维。改变靠电子振子产生水波的传统做法，直接利用水滴产生水波。二是利用侧向思维。为保证演示效果，采用红蓝频闪灯，频闪与波纹同频，使波纹彩色立体。三是组合发明。演示器既可以通过水波波纹变化演示多普勒效应，又可以演示干涉、衍射现象。

演示器简介

水滴激发器

我们用输液管制成水滴激发器，把激发器挂在铁架台上，调节激发器滴水速度，利用水滴代替传统机械振子，激发水波作为波源。利用水滴开始下落时距离水面的高度控制振幅。同时，设计相应电路，用小铁片作为振子，与频闪灯同频振动。

频闪器

在水波槽上方放置蓝色发光二极管和红色发光二极管，用高亮度红蓝灯频闪，调整电路，使闪光与遮光时间比设为1：5，调整波形振幅与灯光闪频同步，使波形看起来清晰稳定，见图l。

消波水槽

水槽是长48cm、宽48cm、高5cm的正方形有机板槽，四周有斜面。底层铺有黑色绒布，上方垫有白色有机板，可有效消除波的反射回光，使彩色波纹更加清晰。槽中还设置了障屏，可以演示波的反射现象、衍射现象和干涉现象。

电动轨道

电源部分：采用市场上现有的开关电源，将市电交流220V电压转换为直流24V电压，为整个系统提供电源。

步进电机控制驱动器：此部件起控制和驱动步进电机的作用。控制器输出的控制脉冲速度决定了步进电机的转速，可通过调节脉冲速度电位器实现输出脉冲速度的调节，从而实现对电机转速的调节。通过对控制器方向控制端提供24V直流电（通过方向控制按钮实现）对步进电机进行方向调节。

步进电机和丝杠组件：步进电机带动丝杠转动，丝杠通过与其配合的丝杠螺母（位于运动平台中）将转动转换为直线运动。这种组合易于控制，并且可以精确地控制运动的速度和距离。丝杠螺母机构的直线运动速度与步进电机转速成正比，其运动方向由电机的正、反向转动直接控制。

实验演示

在水槽中加入水，调整水滴激发器高度，调节滴水速度；从水面上方放置红蓝灯，接通电源，调节频闪光源频率，直至可以看到清晰稳定水波。

激发器静止时，可以看到波形是同心圆，可以观察到频率与波形线条疏密关系：频率快，波长短，波形密，传播速度快；频率慢，波长长，波形疏，传播速度慢。

移动水滴激发器，可以看到多普勒效应图样。向靠近观察者的方向移动，波形密；向远离观察者的方向移动，波形疏。移动速度快，波形变化大，波纹密；移动速度慢，波形变化小，波形疏。

如图2所示，当波源移动的速率小于水波传递的速率时，观察者1看到的频率变高，观察者2看到的频率变低；若是波源移动的速率等于水波传递的速率时，则会产生音障，观察者1看到的是频率变低，而观察者2则会“听”到音爆现象；当波源移动的速度大于波本身的速度时，会形成圆锥形的波前，所有的波同时抵达最前方的波前上，于是波相叠加，而形成震波。观察者2看到频率变低，而观察者1先看到波源移走，随后才“听”到音爆。

用双水滴作为双振源，可以看到水波干涉现象。用单水滴作为单振源，放置2个或3个障屏可以演示衍射现象。

作品创新点

用输液管调节水滴，利用水滴代替机械振子，激发水波作为波源，利用水滴下落高度控制振幅，移动水滴激发器，可以方便地看到多普勒效应图像。

传统水波演示的是水波投影，是黑白条纹；本装置演示的是直观的水波，是立体波形。

传统水波演示是透明的，只能看出水面反射光强弱，对比度不大；我们用高亮度蓝色或红色发光二极管从水面上方照射，使水波带颜色，增强立体感。使波轮廓增强，增加视觉清晰度。用红蓝灯频闪，占空时间比1：5，使波纹稳定不动。

利用消波水槽，四边斜面铺有布料，解决消波问题，有效解决波的反射回光，不会干扰波形；底层放置白色有机板，增加红蓝波的清晰度。

该项目获得第30届全国青少年科技创新大赛创新成果竞赛项目中学组物理学一等奖。

专家评语

该项目巧妙地利用水滴激发，通过移动水滴，观察水滴引起的水波条纹变化演示多普勒效应，同时，加入摄像头模拟波源与观察者之间的相对运动，直观又简单。如能提高观测时的对比度与清晰度，使之更为明显易于观察就更好了。