高中物理“多普勒效應(yīng)演示實(shí)驗(yàn)”的改進(jìn)與創(chuàng)新

黃建洪 戴遠(yuǎn)輝

大量的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)表明，有實(shí)驗(yàn)的物理課，教師和學(xué)生都會(huì)提起“精氣神”，這充分說(shuō)明了物理實(shí)驗(yàn)在物理教學(xué)中的重要性。物理實(shí)驗(yàn)不僅能提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，有助于創(chuàng)建高效課堂，還能增強(qiáng)學(xué)生的動(dòng)手能力，甚至讓學(xué)生終生難忘。

在實(shí)際教學(xué)中，有些實(shí)驗(yàn)由于受到各方面條件的限制，在實(shí)際操作時(shí)并不是十分理想，難以達(dá)到預(yù)期的效果。例如，《粵教版高中物理選擇性必修第一冊(cè)（2020年版）》第三章第四節(jié)“多普勒效應(yīng)”要求運(yùn)用蜂鳴器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教學(xué)。如果按照課本的實(shí)驗(yàn)方案，讓一個(gè)學(xué)生拿著一個(gè)蜂鳴器，從講臺(tái)迅速跑向課室后面，讓其他同學(xué)仔細(xì)分辨蜂鳴器聲音的頻率是否有變化，從多普勒效應(yīng)的原理分析，可以判斷這名學(xué)生在跑步時(shí)，由于蜂鳴器與其他學(xué)生有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，因而其他學(xué)生會(huì)聽(tīng)到聲音出現(xiàn)高低變化的“變頻”現(xiàn)象。但是，筆者在教學(xué)中發(fā)現(xiàn)，因?yàn)閷W(xué)生運(yùn)動(dòng)速度和課室的長(zhǎng)度有限，這個(gè)演示實(shí)驗(yàn)?zāi)軌虍a(chǎn)生的“變頻”現(xiàn)象很微弱，幾乎難以分辨，讓學(xué)生感到失望。

基于這種情況，筆者在原有方法的基礎(chǔ)上，創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)思路，循序漸進(jìn)做了多種改進(jìn)。經(jīng)過(guò)反復(fù)實(shí)驗(yàn)和比較，下面這兩種改進(jìn)方案產(chǎn)生的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象比較明顯。為此，筆者談?wù)剬?duì)本實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)與創(chuàng)新。

一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康募霸?/p>

1.實(shí)驗(yàn)?zāi)康模和ㄟ^(guò)教師指導(dǎo)、學(xué)生操作的演示實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生感受“多普勒效應(yīng)”現(xiàn)象。

2.實(shí)驗(yàn)原理

（1）如圖1所示，聲波在空氣中向各方向均勻傳播。當(dāng)聲源與觀察者相對(duì)靜止，在1s內(nèi)通過(guò)觀察者的波峰個(gè)數(shù)不變，觀察者在不同方向接收到的聲音頻率等于聲源振動(dòng)的頻率，聽(tīng)到的音調(diào)均相同。

（2）如圖2所示，當(dāng)聲源與觀察者之間發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，聲源的頻率不變，但由聲源傳過(guò)來(lái)的聲音在1s內(nèi)通過(guò)觀察者的波峰個(gè)數(shù)會(huì)不斷變化，觀察者接收到的聲音頻率會(huì)隨之改變。若聲源與觀察者互相靠近，則觀察者接收到的聲頻增加，聽(tīng)到的音調(diào)將升高;若聲源與觀察者互相遠(yuǎn)離，則觀察者接收到的聲頻減小，聽(tīng)到的音調(diào)將降低。

二、實(shí)驗(yàn)改進(jìn)與創(chuàng)新

第一種改進(jìn)：蜂鳴器+長(zhǎng)繩

1.實(shí)驗(yàn)器材：蜂鳴器、16850電池、開(kāi)關(guān)、插座底座各一個(gè)、導(dǎo)線若干、細(xì)繩1米。電池容量為3000mAh，可支持蜂鳴器，額定電流10A，耗電完畢，充電后可重復(fù)使用。安裝器材時(shí)，先在插座底部設(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)單的電路，然后用易溶膠把各元件固定在插座底部，再用電烙鐵把各元件連接起來(lái)。連接時(shí)切記要斷開(kāi)開(kāi)關(guān)，防止短路。安裝完畢，把細(xì)繩的一端捆綁在插座底座（如圖3所示）。

2.改變蜂鳴器的運(yùn)動(dòng)方向。以控制變量法入手，觀察者與實(shí)驗(yàn)者保持約3米的距離不變，實(shí)驗(yàn)者手持蜂鳴器，觀察者以不同角度站在實(shí)驗(yàn)者的旁邊。如圖4所示，連通蜂鳴器電路，讓蜂鳴器發(fā)出聲音，實(shí)驗(yàn)者的位置不變。實(shí)驗(yàn)者手持演示器先后沿水平方向、豎直方向、前后左右往返改變聲源的運(yùn)動(dòng)方向，觀察者在實(shí)驗(yàn)者周邊以不同的角度進(jìn)行觀察，分辨聲音的變化，記錄觀測(cè)的結(jié)果。重復(fù)操作多遍。實(shí)驗(yàn)表明：隨著蜂鳴器的運(yùn)動(dòng)方向變化，觀察者在各個(gè)角度沒(méi)有感覺(jué)到聲音高低有發(fā)生變化，驗(yàn)證以失敗告終。

3.手持演示器跑動(dòng)。如圖5所示，觀察者的位置不變并保持不動(dòng)，實(shí)驗(yàn)者持蜂鳴器迅速跑離觀察者約10米，速度由小到大，然后返回跑向觀察者，重復(fù)往返跑動(dòng)，讓觀察者記錄觀測(cè)結(jié)果，實(shí)驗(yàn)表明：即使跑動(dòng)距離超過(guò)10米，但是因?yàn)閷?shí)驗(yàn)者的速度難以達(dá)到高速，因此觀察者感受到的聲音高低只有微弱的變化，效果仍然不理想，這與課本實(shí)驗(yàn)方案無(wú)異。

4.繩子拉動(dòng)演示器做圓周運(yùn)動(dòng)。如圖6所示，觀察者與實(shí)驗(yàn)者相距約3米，在蜂鳴器上連接一條約0.5米的細(xì)繩，實(shí)驗(yàn)者手拿著細(xì)繩的另一端，以手拿著的細(xì)繩端作為圓心，讓蜂鳴器在豎直方向作圓周運(yùn)動(dòng)，開(kāi)始的速度稍慢點(diǎn)，然后逐步加大速度，讓觀察者繼續(xù)觀測(cè)實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，實(shí)驗(yàn)表明：在各個(gè)角度的觀察者都能感覺(jué)到聲頻明顯變化。改變細(xì)繩的長(zhǎng)度，使細(xì)繩長(zhǎng)度為1米，以同樣的方法讓蜂鳴器在豎直方向作圓周運(yùn)動(dòng)，從小到大逐步加大蜂鳴器作圓周運(yùn)動(dòng)的速度，觀察者在各個(gè)角度收到的聲頻不斷增加，“多普勒效應(yīng)”現(xiàn)象變得非常明顯。

第二種改進(jìn)：手機(jī)+長(zhǎng)繩

實(shí)際上，“多普勒效應(yīng)”實(shí)驗(yàn)通過(guò)如今與人類(lèi)使用頻繁的智能手機(jī)也可以實(shí)現(xiàn)，因?yàn)槟壳暗闹悄苁謾C(jī)可以通過(guò)某些軟件實(shí)現(xiàn)發(fā)出特定頻率的聲波，具體方案如下。

1.實(shí)驗(yàn)器材：兩部智能手機(jī)、一根約50厘米的長(zhǎng)繩子。

2.軟件安裝

（1）音頻發(fā)生器Frequency Sound Generator。在智能手機(jī)A中安裝音頻發(fā)生器Frequency Sound Generator，其運(yùn)行界面如圖7。操作手機(jī)使其發(fā)出1000Hz蜂鳴音。

（2）吉他調(diào)音器gStrings。在智能手機(jī)B中下載安裝吉他調(diào)音器gStrings，其運(yùn)行界面如圖8。操作手機(jī)B使其識(shí)別并讀取智能手機(jī)A發(fā)出的1000Hz的蜂鳴音。

3.實(shí)驗(yàn)步驟

（1）當(dāng)聲源靜止時(shí)，觀察是否產(chǎn)生多普勒效應(yīng)

將智能手機(jī)A、B并排水平放置在桌面上，設(shè)置信號(hào)發(fā)生器和信號(hào)接收器處于運(yùn)行狀態(tài)。可見(jiàn)，智能手機(jī)A屏幕顯示信號(hào)發(fā)生器發(fā)射的頻率是1000Hz，信號(hào)接收器（即吉他調(diào)音器）接收到的頻率是1000Hz。由于兩者處于相對(duì)靜止的狀態(tài)，沒(méi)有發(fā)生多普勒效應(yīng)，不存在頻移現(xiàn)象。

（2）當(dāng)聲源移動(dòng)時(shí)，觀察是否產(chǎn)生多普勒效應(yīng)

手持智能手機(jī)A先遠(yuǎn)離后靠近智能手機(jī)B，觀察智能手機(jī)B上信后接收器示數(shù)。可見(jiàn)，信號(hào)接收器的示數(shù)發(fā)生變化，當(dāng)智能手機(jī)A、B相互遠(yuǎn)離時(shí)，B手機(jī)上示數(shù)變小;當(dāng)智能手機(jī)A、B相互靠近時(shí)，B手機(jī)上示數(shù)變大。

（3）當(dāng)聲源轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，觀察是否產(chǎn)生多普勒效應(yīng)

用事先準(zhǔn)備好的繩子綁住智能手機(jī)A后吊起，并將繩子扭轉(zhuǎn)多次，在智能手機(jī)B一側(cè)靜止釋放智能手機(jī)A。可見(jiàn)，當(dāng)A手機(jī)開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，B手機(jī)中的示數(shù)在999Hz與1001Hz之間發(fā)生周期性變化。

三、實(shí)驗(yàn)總結(jié)與評(píng)價(jià)

從上述實(shí)驗(yàn)可以總結(jié)出聲波的“多普勒效應(yīng)”規(guī)律為：當(dāng)波源固定，觀察者靜止，所接收的聲波的頻率與波源發(fā)射的聲波頻率相同，即發(fā)射頻率等于接收頻率;當(dāng)波源移動(dòng)，觀察者靜止，聲波波源移向觀察者時(shí)接收頻率變高，而波源遠(yuǎn)離觀察者時(shí)接收頻率變低。實(shí)踐表明，經(jīng)過(guò)改造和創(chuàng)新的實(shí)驗(yàn)器材及方案，可以很好地改進(jìn)課本上的實(shí)驗(yàn)方案，得到更好的效果。

責(zé)任編輯? 胡春華