創設實驗進行多普勒效應教學的探究

楊傳綠

摘 要 本文主要介紹了在《多普勒效應》這節課的物理教學中，利用設計的三個演示實驗“聲調與聲音頻率的關系、利用發波水槽觀測水波的多普勒效應、傳感器觀測多普勒效應”實現了對原有教學的突破，在“聽”的基礎上更增加了“看”這一有效的認知途徑，提高課堂教學的有效性的做法與體會。

關鍵詞 多普勒效應 演示實驗 有效性

中圖分類號：G633.7 文獻標識碼：A 文章編號：1002-7661（2015）22-0011-02

《多普勒效應》這節課中，教學目的是讓學生了解多普勒效應這種現象，能運用多普勒效應解釋一些物理現象。平常的教學一般都采用理論講解，應用動畫輔助演示，再加上列舉一些生活實例來告訴學生們，當波源與觀察者之間有相對運動時，觀察者接收到的頻率發生了改變的這種現象叫做多普勒效應。經過教學實踐發現，這樣進行本課的教學，學生只能機械、被動地記住這個結論，而對多普勒效應的理解存在著不小的困難。為了更加生動、直觀地幫助學生理解這個物理規律，在實際教學中，我設計了下面三個演示實驗。

[實驗一]聲調與聲音頻率的關系

教材中的引入事例說到，火車鳴笛呼嘯通過觀察者，火車靠近時，聽到的汽笛聲音調變高（尖銳），火車遠離時，聽到的汽笛聲音調變低（平緩）。通過這個事例的視頻展示，可以讓學生清楚察覺到波源和觀察者距離變化時，聽到的聲音音調的變化，但是對于音調與聲音頻率的關系卻沒辦法直接得出。下面的實驗可以解決這一問題。

實驗器材：音頻發生器、有源音箱。

實驗過程：利用一個音頻發生器連接一對有源音箱，進行聲音輸出。調節音頻發生器的的頻率大小，讓學生聽聲音音調的變化。調節300Hz、600Hz、900Hz、1600Hz左右等任意幾種聲音頻率，讓學生感受不同的聲音頻率對應的不同的聲音音調，再用微調旋鈕連續調節聲音頻率從低到高，再從高到低，讓學生直觀地了解到“聲音的音調由聲音的頻率所決定”，從而為學生理解聲音的多普勒效應掃清了障礙。

[實驗二]利用發波水槽觀測水波的多普勒效應

觀察者不動，波源運動時，波源一邊的波紋間距變小，另外一邊的波紋間距變大，教學中一般用來分析多普勒效應中觀察者頻率發生變化的成因。在分析過程中，傳統教學一般都通過在黑板上畫圖分析，或者借助Flash動畫，以模擬仿真的手段展示多普勒現象的形成機理，彌補傳統教學在直觀感和動感方面的不足。但是動畫的模擬演示畢竟比不上真正的實驗，教學中可以借助發波水槽的水波演示實驗模擬聲波的多普勒效應，讓學生真正“看得見”這一物理現象，使得直觀感、立體感更加強烈。

實驗器材：發波水槽、電磁振動器、長條的透明玻璃板、學生電源、導線若干。

實驗過程：

1.發波水槽中注入清水，一般控制水的深度在5mm-8mm左右。在水槽的一邊架上長條的透明玻璃板作為滑軌，上面放置電磁振動器。

2.連接相關電路，用低頻交流電驅動電磁振動器，調節振動器的振動頻率，使得電磁振動器在水中打出的圓形水波紋清晰、穩定。

3.在透明玻璃板上向左或向右移動電磁振動器，盡可能保持勻速移動，讓學生觀察水波紋的變化。

可以看到當電磁振動器向右移動時，波源右邊的條紋變密，左邊的條紋變疏；電磁振動器向左移動，情況與之相反。

注：①這個實驗的現象可以直接通過儀器前端的顯示屏投影顯示，或者加裝攝像頭連接電腦投影到大屏幕上，效果都非常明顯。

②移動電磁振動器這個波源的時候速度不要太快，為了能夠平滑移動，避免產生的不必要的振動影響了實驗效果，可以在透明玻璃板上適當涂抹些潤滑油，或者把電磁振動器固定在小車上，通過小車的移動來控制充當波源的電磁振動器的運動。

學生對波這一概念的理解最直接的感受是來自于水波，而這個演示實驗正是利用了水波來模擬聲波的多普勒效應，呈現的現象生動直觀，使得學生在理解上更加順暢。在實際的教學中，學生對這演示實驗的興趣很高，同時這一演示實驗也降低了學生對新知識的理解難度，并且拓寬了學生的思路。

[實驗三]傳感器觀測多普勒效應

上一個實驗設計可以讓學生清楚地看到用來模擬聲波的水波的多普勒效應：波源靠近觀察者時，波紋變密集；波源遠離觀察者時，波紋變稀疏。借助傳感器，還可以實現多普勒效應的更加準確的觀測。

實驗器材：朗威數據采集器、聲音傳感器、音叉、橡膠錘、安裝朗威DIS軟件的電腦、滑軌、小車、蜂鳴器、5號電池和電線若干。

1.依次連接好數據采集器、聲音傳感器、電腦，進行初步設置，并打開DIS5.0通用軟件，進行調試，確保聲音傳感器正常工作，軟件能正確采集到聲波信號。

2.用橡膠錘敲擊音叉，聲音傳感器接收信號，選擇合適的采樣頻率，把電腦上DIS軟件所采集到的波形圖投影到大屏幕進行觀察。

3.讓音叉靠近聲音傳感器，觀察靠近的過程中采集到的波形圖發生的變化?？梢钥吹讲ㄐ螆D中正（余）弦波的周期變小，即頻率變大。遠離時情況相反。

4.截取波形圖的一段，用鼠標確定一個周期的的波形圖，讀出聲源靜止以及聲源移動時周期的數值變化。

注：①本實驗中采用的聲源所發出的是人耳能聽得到的聲波，頻率比較低，聲音傳感器接收到的信號比較容易受到外界聲音的干擾，所以一個相對安靜些的環境，并且在電腦上事先調節聲音傳感器采集的頻率大小，使采集的信號頻率段接近音叉的聲音頻率，呈現出來的波形就能非常接近正（余）弦波形。

②可以用蜂鳴器代替音叉作為波源，由于體積更加小巧，可以安放在小車上，讓小車從滑軌上滑下，用聲音傳感器采集聲音的信號，觀察波形的變化。

這一實驗不僅可以實現多普勒效應的定性演示，還能進一步對聲源移動時接收頻率（周期）的大小做出定量測量。學生也能課堂上觸類旁通，認識到多普勒測速儀正是這一實驗的現實推廣應用。

通過以上三個實驗的演示，一方面可以很好的展示多普勒效應現象，另一方面可以有效降低學生學習的難度，在“聽”的基礎上更增加了“看”這一有效的認知途徑，激發了學生學習的興趣。整節課的教學借助實驗使學生的觀察和思維活動緊密地結合，對多普勒效應形成了清晰的認識，獲得了很好的教學效果，提高了教學的有效性。

（責任編輯 李 翔）