高中物理“多普勒效應”演示實驗的兩個改進方案

班巍

在日常生活中，我們都可能遇過這種現象：在路邊等候時，偶遇正在出警的消防車或是飛馳而過的救護車。當車靠近時，我們會聽到警笛聲的音調越來越高;當車遠離時，我們聽到警笛聲的音調是越來越低的。物理學把這種現象叫“多普勒效應”。

對于多普勒效應，我們可以從物理學視角去探究，以警笛聲聲波為例，究其成因：笛聲作為波源，它與觀察者（我們）是相對于傳播介質（空氣）運動的，而觀察者接收到的聲波頻率與波源發出的頻率不相同，并且聲波波長因波源和觀測者的相對運動也產生變化。在運動的波源前面，笛聲聲波被壓縮，波長變得較短，頻率變得較大，音調變高;在運動的波源后面，笛聲聲波被擴散而離車遠去，波長變得較長，頻率變得較小，音調變低，于是發生相反的音調效應。因此，如果波源的速度越高，所產生的多普勒效應就會越大。

《普通高中物理課程標準（2017年版2020年修訂）》對于“多普勒效應”的教學要求為：通過實驗，認識多普勒效應，能解釋多普勒效應產生的原因?；诖?，在課堂教學時，由于受場地、器材等因素限制，若手持蜂鳴器走動或擺動來演示多普勒效應，現象并不明顯。通常使用多媒體把錄制好的“多普勒效應”現象的視頻重現給學生，讓他們觀看這一奇特現象。

為了幫助學生加深對多普勒效應的理解，可以使用電磁波實驗來演示多普勒效應。選用的器材是：電磁波發射器和電磁波接收器（音頻接收器、電表指示接收器）。使用電磁波發射器發送電磁波，用電磁波接收器接收電磁波，利用電磁波接收器接收電磁波產生的電磁感應現象去演示多普勒效應。

下面，筆者介紹利用電磁波發送與接收產生的電磁感應變化的現象演示多普勒效應的兩種改進實驗方案。

實驗方案1：通過發射器、接收器信號系統演示多普勒效應

實驗時，正確組裝好電磁波發射器和音頻接收器。通電，讓電磁波發射器發射調制的音頻電磁波信號。然后，手持音頻接收器慢慢靠近電磁波發射器的發射天線（波源）。在此過程，音頻接收器接收到的音頻信號逐漸增強，音頻接收器的信號電平顯示亮度逐漸加強，音頻接收器的揚聲器發出音頻信號的音調越來越刺耳（如圖1所示）。反之，當音頻接收器天線遠離發射器的發射天線時，音頻接收器的音頻信號逐漸減弱，信號電平顯示也隨之減弱，音頻接收器的揚聲器發出音頻信號的音調逐漸衰弱至無聲（如圖2所示）。

實驗原理是：當音頻接收器的天線靠近電磁波發射器的發射天線這一過程，它接收到音頻電磁波后會發生電磁感應。對于音頻接收器而言，它接收到發射器發射的音頻電磁波是疊加的，音頻電磁波的頻率增大，波長變短，此時的音頻電磁波的場強增強，致使音頻接收器發生漸強的電磁感應，轉化的音頻電流增大，驅使音頻信號隨之增強，信號電平顯示增亮。反之，當音頻接收器的天線漸離電磁波發生器的發射天線，它接收到的音頻電磁波的頻率逐漸減少，波長逐漸變長，此時的音頻電磁波的場強逐漸減弱，致使音頻接收器發生的電磁感應減弱，相應轉化的音頻電流減小，故音頻信號減弱，信號電平顯示亮度衰減，揚聲器發聲漸息。

因此，通過改變音頻接收器的天線與電磁波發生器的發射天線（波源）發生相對的位移實驗，從音頻接收器反饋音頻信號的強弱現象就可以演示音頻電磁波的多普勒效應。

實驗方案2：使用電表指示接收器演示多普勒效應

實驗時，同樣組裝好電磁波發射器和電表指示接收器。將電表指示接收器置于距離發射機2米處，盡可保持接收天線與發射天線平行。此時，將兩實驗器接上電源稍后，電磁波發射器正常發射出電磁波，電表指示接收器的電流表有相應的微弱讀數。實驗時，持電表指示接收器天線逐漸靠近發射天線（波源）時，電流表的讀數逐漸增大，表明電表指示接收器的電磁感應電流在增大。原因是電表指示接收器天線靠近發射天線時，它接收到的電磁波信號逐漸增強，感應到的電磁波是疊加的，電磁波的波長逐漸變短且頻率在不斷加強，此時的電磁波的場強持續加強，電磁感應強度增強，從而激發電表指示接收器的電磁感應電流增大，電表指數變大（如圖3所示）。反之，當電表指示接收器的天線遠離發射天線（波源）時，電表讀數隨之逐漸減小。這是因為電表指示接收器的天線在遠離發射天線時，感應到的電磁波的頻率逐漸減小而波長卻在變長，此時的電磁波的場強持續減弱，致使電磁感應減弱，從而造成電表指示接收器的感應電流就相應減小，電表指數變?。ㄈ鐖D4所示）。這一現象就類似于聲波從高音調到低音調的過程。電表的示數變化正是由于電表指示接收器天線與電磁波的發射天線（波源）發生相對的位移，造成接收到的電磁波頻率和電磁波的波長發生變化所致。因此，也可用電表指示接收器的電表讀數變化現象來演示電磁波的多普勒效應。

實驗表明，上述的兩種實驗改進方案都可以清晰地展示多普勒效應現象。其實，多普勒效應的現象是比較廣泛和常見的，現實生活中也有很多實際的應用。如，交通上用于測量車速;醫學上用于測量血流速度;天文學家利用電磁波紅移提出的“大爆炸理論”;衛星跟蹤系統;用于貴重物收藏室、機密室的防盜系統，等等。因此，作為實驗教學，如果能進一步創新多普勒效應實驗裝置、探究和改進實驗方案，將有助于學生深刻理解物理現象的科學知識。

責任編輯? 陳? 洋