高中物理“多普勒效應(yīng)”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(xiàn)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(diào)越來越高;當車遠離時，我們聽到警笛聲的音調(diào)是越來越低的。物理學把這種現(xiàn)象叫“多普勒效應(yīng)”。

對于多普勒效應(yīng)，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(zhì)（空氣）運動的，而觀察者接收到的聲波頻率與波源發(fā)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(chǎn)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(diào)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(diào)變低，于是發(fā)生相反的音調(diào)效應(yīng)。因此，如果波源的速度越高，所產(chǎn)生的多普勒效應(yīng)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(yīng)”的教學要求為：通過實驗，認識多普勒效應(yīng)，能解釋多普勒效應(yīng)產(chǎn)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(yīng)，現(xiàn)象并不明顯。通常使用多媒體把錄制好的“多普勒效應(yīng)”現(xiàn)象的視頻重現(xiàn)給學生，讓他們觀看這一奇特現(xiàn)象。

為了幫助學生加深對多普勒效應(yīng)的理解，可以使用電磁波實驗來演示多普勒效應(yīng)。選用的器材是：電磁波發(fā)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(fā)射器發(fā)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(chǎn)生的電磁感應(yīng)現(xiàn)象去演示多普勒效應(yīng)。

下面，筆者介紹利用電磁波發(fā)送與接收產(chǎn)生的電磁感應(yīng)變化的現(xiàn)象演示多普勒效應(yīng)的兩種改進實驗方案。

實驗方案1：通過發(fā)射器、接收器信號系統(tǒng)演示多普勒效應(yīng)

實驗時，正確組裝好電磁波發(fā)射器和音頻接收器。通電，讓電磁波發(fā)射器發(fā)射調(diào)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(fā)射器的發(fā)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(fā)出音頻信號的音調(diào)越來越刺耳（如圖1所示）。反之，當音頻接收器天線遠離發(fā)射器的發(fā)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(fā)出音頻信號的音調(diào)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(fā)射器的發(fā)射天線這一過程，它接收到音頻電磁波后會發(fā)生電磁感應(yīng)。對于音頻接收器而言，它接收到發(fā)射器發(fā)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(fā)生漸強的電磁感應(yīng)，轉(zhuǎn)化的音頻電流增大，驅(qū)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(fā)生器的發(fā)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(fā)生的電磁感應(yīng)減弱，相應(yīng)轉(zhuǎn)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(fā)聲漸息。

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

實驗方案2：使用電表指示接收器演示多普勒效應(yīng)

實驗時，同樣組裝好電磁波發(fā)射器和電表指示接收器。將電表指示接收器置于距離發(fā)射機2米處，盡可保持接收天線與發(fā)射天線平行。此時，將兩實驗器接上電源稍后，電磁波發(fā)射器正常發(fā)射出電磁波，電表指示接收器的電流表有相應(yīng)的微弱讀數(shù)。實驗時，持電表指示接收器天線逐漸靠近發(fā)射天線（波源）時，電流表的讀數(shù)逐漸增大，表明電表指示接收器的電磁感應(yīng)電流在增大。原因是電表指示接收器天線靠近發(fā)射天線時，它接收到的電磁波信號逐漸增強，感應(yīng)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(xù)加強，電磁感應(yīng)強度增強，從而激發(fā)電表指示接收器的電磁感應(yīng)電流增大，電表指數(shù)變大（如圖3所示）。反之，當電表指示接收器的天線遠離發(fā)射天線（波源）時，電表讀數(shù)隨之逐漸減小。這是因為電表指示接收器的天線在遠離發(fā)射天線時，感應(yīng)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(xù)減弱，致使電磁感應(yīng)減弱，從而造成電表指示接收器的感應(yīng)電流就相應(yīng)減小，電表指數(shù)變?。ㄈ鐖D4所示）。這一現(xiàn)象就類似于聲波從高音調(diào)到低音調(diào)的過程。電表的示數(shù)變化正是由于電表指示接收器天線與電磁波的發(fā)射天線（波源）發(fā)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(fā)生變化所致。因此，也可用電表指示接收器的電表讀數(shù)變化現(xiàn)象來演示電磁波的多普勒效應(yīng)。

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(yīng)現(xiàn)象。其實，多普勒效應(yīng)的現(xiàn)象是比較廣泛和常見的，現(xiàn)實生活中也有很多實際的應(yīng)用。如，交通上用于測量車速;醫(yī)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(wèi)星跟蹤系統(tǒng);用于貴重物收藏室、機密室的防盜系統(tǒng)，等等。因此，作為實驗教學，如果能進一步創(chuàng)新多普勒效應(yīng)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(xiàn)象的科學知識。

責任編輯? 陳? 洋