超声波多普勒效应演示仪的制作

黄嘉林 周纹因

摘   要：文章利用单片机制作了一款可以定量探究超声波多普勒效应的装置，可以将此装置用于实际的教学活动中。

关键词：多普勒效应;超声波;定量探究;单片机

中图分类号：G633.7 文献标识码：A    文章编号：1003-6148（2019）11-0051-2

2017年版《普通高中物理课程标准》对《多普勒效应》一节提出的内容要求有：“通过实验，认识多普勒效应。”教师在课堂上演示多普勒效应多数采用定性的分析，例如，用运动的蜂鸣器或音叉让学生感受声音的变化。但是，学生定性地感觉音调变化有时候现象并不明显。笔者用超声波作为波源，制作了可以定量探究多普勒效应的装置。

1    实验原理

当波源与观察者相互远离或靠近的过程中，观察者接收到的频率会与波源的频率不同，这种现象称为多普勒效应，其定量关系如下[1]：

其中，f'为观察者接收到的频率，f为波源的频率，u为声速， v 为观察者的运动速度， v 为波源的速度。

2    超声波多普勒效应演示仪的制作与操作

超声波多普勒效应演示仪的结构如图1、图2所示，基本的原理是：超声波发射头发出固定频率的超声波，超声波接收头接收超声波的信号，利用单片机对信号处理，接收到的超声波信号频率将会显示在数码管上。

2.1    材料

信号发生器模块（3000～4000 kHz）、功放、超声波收发头、八位数码管模块、电池、单片机、导轨、轴承。

2.2    制作过程

按图3连接好模块，在导轨上安装超声波发射头和超声波接收头，让超声波发射头和超声波接收头可以在导轨上运动（图4）。

3    实验步骤

1.接通装置的电源，调试无误后可以开始演示。

2.选取固定频率的超声波发射源，这里选取的是39 004 Hz，在导轨上让超声波发射头、接收头处于相对静止或相对运动的状态，可以记录显示屏上超声波接收头的读数。

（1）当观察者与波源都静止的时候，观察者接收到的频率不变。

（2）当观察者静止，波源靠近观察者的时候，观察者接收到的频率变高。

（3）当观察者静止，波源远离观察者的时候，观察者接收到的频率变低（图5）。

实验探究的过程中，可以改变不同的实验条件，测得的数据如表1。

由實验测量可以观察到利用该装置可以探究多普勒效应的现象。

4    超声波多普勒效应演示仪的优点

4.1    可以实现定量探究多普勒效应

目前关于多普勒效应的实验，大多都是运用蜂鸣器或音叉的定性实验，少数关于声音的多普勒效应的现象也并不是太明显。本实验装置用超声波作为波源，可以更加直观、明显地定量探究多普勒效应的现象。

4.2    演示简单，可操作性强

现有关于声波多普勒效应的定量演示实验大多比较麻烦[2]，在课堂上探究效率较低。本实验装置制作完成之后，只需要移动波源和观察者，学生就可以直接在显示屏上看到观察者接收到的频率的变化。

4.3    现象直观、明显，利于学生探究规律

频率的变化直接显示在数码管上，方便学生观察。同时，超声波的发射头及接收头可以实现波源与观察者多种不同的运动情况，让学生可以在不同情况下充分地探究波源与观察者相对运动过程中观察者接收到的频率变化。

4.4    改进性强

运用多普勒效应测量运动物体的速度在日常生活中有着广泛的应用，教师可以继续改进本装置的程序，将速度计算公式加入到程序当中，根据需求测量出波源或观测者的速度，作为讲解多普勒效应测速原理的应用教具。

5    结  语

本文介绍的超声波多普勒效应演示仪材料易得，演示方便，现象明显，适用于中学物理课堂的演示实验或探究实验，配合课堂进行教学活动。此外，还可以作为学生课外的科技活动项目，激发学生对物理的学习兴趣，培养学生的动手能力，拓展学生对知识的理解和应用。

参考文献：

[1]漆安慎，杜婵英.普通物理学教程（力学）[M].北京：高等教育出版社，2012：355-358.

[2]吴月江，汪维澄，刘彬生.演示多普勒效应的几种实验方法[J].教学仪器与实验，2006（10）：16-20.

（栏目编辑    王柏庐）