多普勒效應(yīng)演示儀的改進(jìn)

蔣金華，代 偉，王 漫，杜 倩

(西華師范大學(xué) 物理與空間科學(xué)學(xué)院,四川 南充 637002)

1 原有儀器的不足

在當(dāng)前高中物理教學(xué)中，關(guān)于多普勒效應(yīng)的演示大都是聲學(xué)演示[1]，聲學(xué)演示雖然能夠反映日常生活中多普勒效應(yīng)現(xiàn)象，但是演示效果不直觀，學(xué)生理解起來也比較困難. 一些儀器利用多普勒效應(yīng)的水波特性進(jìn)行演示，實(shí)驗(yàn)操作較為簡單、實(shí)驗(yàn)成功率高、可操作性強(qiáng)，但教具制作較難，所以每種演示儀都有其自身的優(yōu)點(diǎn)與不足之處. 在文獻(xiàn)[2]中介紹的“多普勒效應(yīng)演示儀”利用質(zhì)量分布不均的帶孔扇葉轉(zhuǎn)動(dòng)來帶動(dòng)振子作周期性的振動(dòng)作為振源，演示儀的設(shè)計(jì)思路新穎，儀器結(jié)構(gòu)及實(shí)驗(yàn)操作簡單，但是在實(shí)際操作過程中也存在明顯的不足：1)當(dāng)扇葉轉(zhuǎn)動(dòng)較快時(shí)，振子和扇葉之間的連接容易出現(xiàn)偏離，振源的穩(wěn)定性較差，演示多普勒效應(yīng)時(shí)容易產(chǎn)生較大的實(shí)驗(yàn)誤差；2)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象顯現(xiàn)位置處于水槽的正下方，在物理課堂教學(xué)過程中，不便于學(xué)生觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象. 文獻(xiàn)[3]中“基于自制教具的水波多普勒效應(yīng)實(shí)驗(yàn)探究”的實(shí)驗(yàn)裝置，可長時(shí)間觀察穩(wěn)定的多普勒效應(yīng)，并能進(jìn)行半定量分析. 但該實(shí)驗(yàn)器材采用的是老式幻燈機(jī)的散光板和透鏡反光鏡來實(shí)現(xiàn)多普勒效應(yīng)圖樣演示，儀器制作成本較高，制作也較為復(fù)雜. 學(xué)生理解時(shí)只會將其理解為特殊的教學(xué)演示儀，難以激發(fā)學(xué)生從生活出發(fā)開展自制教具的興趣.

2 改進(jìn)演示儀的結(jié)構(gòu)及原理

改進(jìn)的多普勒效應(yīng)演示儀主要使用2個(gè)直流電機(jī)，一個(gè)電機(jī)帶動(dòng)帶孔扇葉轉(zhuǎn)動(dòng)得到頻閃光源；另一個(gè)則使用偏心電機(jī)帶動(dòng)振子作周期性振動(dòng)得到振源. 演示儀結(jié)構(gòu)如圖1所示，在演示儀的底座上方為有機(jī)玻璃制作的長方形水槽，水槽內(nèi)水面剛好與振子頂端接觸. 在彈性金屬片上安裝偏心電機(jī)制成振子，通過調(diào)節(jié)偏心電動(dòng)機(jī)電壓大小來改變振子的振動(dòng)頻率. 振子安裝在金屬座上，金屬座放置在滑板上，滑板下面固定2根滑槽，演示時(shí)推動(dòng)滑槽可使振子在水槽中移動(dòng)， 得到多普勒效應(yīng)，移動(dòng)速度越快，多普勒效應(yīng)越明顯. 水槽的左側(cè)上方安裝頻閃光源，頻閃光源是由電機(jī)帶動(dòng)帶孔的圓形扇葉旋轉(zhuǎn)，射燈的光線透過扇葉上的圓孔后可在水槽中得到具有一定頻率的頻閃光源. 演示時(shí)調(diào)節(jié)偏心電機(jī)的工作電壓使其振動(dòng)頻率與頻閃光源頻率一致，移動(dòng)振子就可在水槽中觀察到清晰的多普勒效應(yīng)水波圖樣. 為了方便學(xué)生正面觀察，儀器在水槽的下方45°角放置了平面反射鏡，平面反射鏡的正前方豎直安放了毛玻璃板，在水槽中形成的多普勒圖像通過鏡面反射便可在毛玻璃屏上進(jìn)行觀察. 演示得到的多普勒圖像如圖2所示. 此外，通過更換振子還可演示水波干涉現(xiàn)象，干涉圖樣明顯直觀，演示效果好，得到的干涉圖像如圖3所示.

圖1 多普勒效應(yīng)演示儀實(shí)物圖

圖2 多普勒效應(yīng)演示圖像

圖3 水波干涉演示圖像

3 演示儀的操作步驟

在演示多普勒效應(yīng)時(shí)，首先在水槽內(nèi)加入適量的清水，然后使振子頂端剛好接觸水面，將偏心直流電機(jī)電壓調(diào)到最小. 打開偏心電動(dòng)機(jī)電源開關(guān)， 觀察水面形成的波紋是否穩(wěn)定. 逐步調(diào)節(jié)偏心電機(jī)的工作電壓，待波紋穩(wěn)定之后，打開頻閃電源開關(guān)，此時(shí)在毛玻璃板上可觀察到清晰的波紋，波紋一圈一圈向外擴(kuò)散，即多普勒效應(yīng)情況之一(波源、接受者都不動(dòng)). 然后推動(dòng)振子滑槽向左移動(dòng)，當(dāng)振子在水槽中移動(dòng)的過程中可觀察到波紋左密右疏，即多普勒效應(yīng)情況之二(接受者不動(dòng)，波源運(yùn)動(dòng)).

在演示波的干涉現(xiàn)象時(shí)，待水面穩(wěn)定之后，更換振源振子，改用為雙振子，使振子兩端頭同時(shí)接觸水面. 打開偏心電機(jī)電源開關(guān)，再打開頻閃電源開關(guān)，調(diào)節(jié)偏心電動(dòng)機(jī)的電壓，待毛玻璃板上形成穩(wěn)定清晰的水波干涉圖樣即可. 最后引導(dǎo)學(xué)生觀察總結(jié)，在干涉圖樣中，2列波交匯處為光亮點(diǎn)，這些點(diǎn)是波的加強(qiáng)點(diǎn).

4 演示儀優(yōu)點(diǎn)

改進(jìn)后的多普勒效應(yīng)演示儀主要有優(yōu)點(diǎn)為：

1)采用偏心電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)振子振動(dòng)作為振源，結(jié)構(gòu)簡單，制作方便，成本低，振動(dòng)頻率調(diào)節(jié)簡單，得到的振動(dòng)頻率穩(wěn)定，干擾小；

2)用帶孔的圓形旋轉(zhuǎn)葉片通過不斷的透光、遮光來得到頻閃光源簡單易得；

3)通過45°角的平面鏡將水平面的波動(dòng)圖像反射到豎直方向的毛玻璃屏上，方便學(xué)生觀察；

4)通過更換振子不僅可演示多普勒效應(yīng)還可演示波的干涉現(xiàn)象，一物多用；

5)教具操作性強(qiáng)，安全性好，演示效果明顯.

5 結(jié)束語

為了更好地創(chuàng)設(shè)物理情境，開展物理教學(xué)，需要廣大物理教師制作教具用于教學(xué). 要使制作的教具能很好滿足教學(xué)需要就需要我們在自制教具的過程中學(xué)會取長補(bǔ)短，善于發(fā)現(xiàn)問題、思考問題、解決問題. 與此同時(shí)，要通過不斷學(xué)習(xí)使自己的教具制作創(chuàng)新意識應(yīng)不斷增強(qiáng)，創(chuàng)新能力不斷提高. 在物理教學(xué)過程中教師如能充分運(yùn)用自制教具開展新課教學(xué)，不僅能很好地創(chuàng)設(shè)物理學(xué)習(xí)情境，引起學(xué)生注意，喚起學(xué)生思考，加深學(xué)生對所學(xué)知識的理解，還能培養(yǎng)學(xué)生興趣，激發(fā)學(xué)生求知欲.

[1] 姜洪喜,任敦亮. 聲波多普勒效應(yīng)演示實(shí)驗(yàn)[J]. 物理實(shí)驗(yàn),2006,26(9):36-37.

[2] 周笑夢，韋韌，蘇立明. 多普勒效應(yīng)演示儀[J]. 大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)，1995(2):50-51.

[3] 劉杰. 基于“水波多普勒效應(yīng)實(shí)驗(yàn)儀”的實(shí)驗(yàn)探究[J]. 高中數(shù)理化,2013(20):43-44.