高中物理“多普勒效應演示實驗”的改進與創(chuàng)新

黃建洪 戴遠輝

大量的教學經驗表明，有實驗的物理課，教師和學生都會提起“精氣神”，這充分說明了物理實驗在物理教學中的重要性。物理實驗不僅能提升學生的學習興趣，有助于創(chuàng)建高效課堂，還能增強學生的動手能力，甚至讓學生終生難忘。

在實際教學中，有些實驗由于受到各方面條件的限制，在實際操作時并不是十分理想，難以達到預期的效果。例如，《粵教版高中物理選擇性必修第一冊（2020年版）》第三章第四節(jié)“多普勒效應”要求運用蜂鳴器進行實驗教學。如果按照課本的實驗方案，讓一個學生拿著一個蜂鳴器，從講臺迅速跑向課室后面，讓其他同學仔細分辨蜂鳴器聲音的頻率是否有變化，從多普勒效應的原理分析，可以判斷這名學生在跑步時，由于蜂鳴器與其他學生有相對運動，因而其他學生會聽到聲音出現高低變化的“變頻”現象。但是，筆者在教學中發(fā)現，因為學生運動速度和課室的長度有限，這個演示實驗能夠產生的“變頻”現象很微弱，幾乎難以分辨，讓學生感到失望。

基于這種情況，筆者在原有方法的基礎上，創(chuàng)新實驗思路，循序漸進做了多種改進。經過反復實驗和比較，下面這兩種改進方案產生的實驗現象比較明顯。為此，筆者談談對本實驗的改進與創(chuàng)新。

一、實驗目的及原理

1.實驗目的：通過教師指導、學生操作的演示實驗，讓學生感受“多普勒效應”現象。

2.實驗原理

（1）如圖1所示，聲波在空氣中向各方向均勻傳播。當聲源與觀察者相對靜止，在1s內通過觀察者的波峰個數不變，觀察者在不同方向接收到的聲音頻率等于聲源振動的頻率，聽到的音調均相同。

（2）如圖2所示，當聲源與觀察者之間發(fā)生相對運動，聲源的頻率不變，但由聲源傳過來的聲音在1s內通過觀察者的波峰個數會不斷變化，觀察者接收到的聲音頻率會隨之改變。若聲源與觀察者互相靠近，則觀察者接收到的聲頻增加，聽到的音調將升高;若聲源與觀察者互相遠離，則觀察者接收到的聲頻減小，聽到的音調將降低。

二、實驗改進與創(chuàng)新

第一種改進：蜂鳴器+長繩

1.實驗器材：蜂鳴器、16850電池、開關、插座底座各一個、導線若干、細繩1米。電池容量為3000mAh，可支持蜂鳴器，額定電流10A，耗電完畢，充電后可重復使用。安裝器材時，先在插座底部設計一個簡單的電路，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。連接時切記要斷開開關，防止短路。安裝完畢，把細繩的一端捆綁在插座底座（如圖3所示）。

2.改變蜂鳴器的運動方向。以控制變量法入手，觀察者與實驗者保持約3米的距離不變，實驗者手持蜂鳴器，觀察者以不同角度站在實驗者的旁邊。如圖4所示，連通蜂鳴器電路，讓蜂鳴器發(fā)出聲音，實驗者的位置不變。實驗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動方向，觀察者在實驗者周邊以不同的角度進行觀察，分辨聲音的變化，記錄觀測的結果。重復操作多遍。實驗表明：隨著蜂鳴器的運動方向變化，觀察者在各個角度沒有感覺到聲音高低有發(fā)生變化，驗證以失敗告終。

3.手持演示器跑動。如圖5所示，觀察者的位置不變并保持不動，實驗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，重復往返跑動，讓觀察者記錄觀測結果，實驗表明：即使跑動距離超過10米，但是因為實驗者的速度難以達到高速，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，這與課本實驗方案無異。

4.繩子拉動演示器做圓周運動。如圖6所示，觀察者與實驗者相距約3米，在蜂鳴器上連接一條約0.5米的細繩，實驗者手拿著細繩的另一端，以手拿著的細繩端作為圓心，讓蜂鳴器在豎直方向作圓周運動，開始的速度稍慢點，然后逐步加大速度，讓觀察者繼續(xù)觀測實驗現象，實驗表明：在各個角度的觀察者都能感覺到聲頻明顯變化。改變細繩的長度，使細繩長度為1米，以同樣的方法讓蜂鳴器在豎直方向作圓周運動，從小到大逐步加大蜂鳴器作圓周運動的速度，觀察者在各個角度收到的聲頻不斷增加，“多普勒效應”現象變得非常明顯。

第二種改進：手機+長繩

實際上，“多普勒效應”實驗通過如今與人類使用頻繁的智能手機也可以實現，因為目前的智能手機可以通過某些軟件實現發(fā)出特定頻率的聲波，具體方案如下。

1.實驗器材：兩部智能手機、一根約50厘米的長繩子。

2.軟件安裝

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

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

3.實驗步驟

（1）當聲源靜止時，觀察是否產生多普勒效應

將智能手機A、B并排水平放置在桌面上，設置信號發(fā)生器和信號接收器處于運行狀態(tài)?？梢姡悄苁謾CA屏幕顯示信號發(fā)生器發(fā)射的頻率是1000Hz，信號接收器（即吉他調音器）接收到的頻率是1000Hz。由于兩者處于相對靜止的狀態(tài)，沒有發(fā)生多普勒效應，不存在頻移現象。

（2）當聲源移動時，觀察是否產生多普勒效應

手持智能手機A先遠離后靠近智能手機B，觀察智能手機B上信后接收器示數。可見，信號接收器的示數發(fā)生變化，當智能手機A、B相互遠離時，B手機上示數變小;當智能手機A、B相互靠近時，B手機上示數變大。

（3）當聲源轉動時，觀察是否產生多普勒效應

用事先準備好的繩子綁住智能手機A后吊起，并將繩子扭轉多次，在智能手機B一側靜止釋放智能手機A?？梢?，當A手機開始轉動時，B手機中的示數在999Hz與1001Hz之間發(fā)生周期性變化。

三、實驗總結與評價

從上述實驗可以總結出聲波的“多普勒效應”規(guī)律為：當波源固定，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;當波源移動，觀察者靜止，聲波波源移向觀察者時接收頻率變高，而波源遠離觀察者時接收頻率變低。實踐表明，經過改造和創(chuàng)新的實驗器材及方案，可以很好地改進課本上的實驗方案，得到更好的效果。

責任編輯? 胡春華