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多普勒效应综合实验
【引言】
当波源和接收器之间有相对运动时,接收器接收到的波的频率与波源
发出的频率不同的现象称为多普勒效应。多普勒效应在科学研究,工程技
术,交通管理,医疗诊断等各方面都有十分广泛的应用。例如:原子,分
子和离子由于热运动使其发射和吸收的光谱线变宽,称为多普勒增宽,在
天体物理和受控热核聚变实验装置中,光谱线的多普勒增宽己成为一种分
析恒星大气及等离子体物理状态的重要测量和诊断手段。基于多普勒效应
原理的雷达系统已广泛应用于导弹,卫星,车辆等运动冃标速度的监测。
在医学上利用超声波的多普勒效应来检查人体内脏的活动情况,血液的流
速等。电磁波(光波)与声波(超声波)的多普勒效应原理是一致的。木
实验既可研究超声波的多普勒效应,又可利用多普勒效应将超声探头作为
运动俾感器,研究物体的运动状态。
【实验0的】
1、 测量超声接收器运动速度与接收频率之间的关系,验证多普勒效
应,并由f-v关系直线的斜率求声速。
2、 利用多普勒效应测量物体运动过程中多个时间点的速度,査看V-t
关系曲线,或调阅有关测量数据,即可得出物体在运动过程中的速度变化
情况,可研究,
(1) 自由落体运动,并由V-t关系直线的斜率求重力加速度。
(2) 简谐振动,可测量简谐振动的周期等参数,并与理论值比较。
(3) 匀加速直线运动,测量力、质量与加速度之间的关系,验证牛
顿第二定律。
(4) 其它变速直线运动。
【实验原理】
1、超声的多普勒效应
源
根据声波的多普勒效应公式,当声源与接收器之间有相对运动时,接
收器接收到的频率f为:图1超声的多普勒效应示意图
f?fO?u?Vlcos?l u-V2cos?2 (1)
式屮fO为声源发射频率,u为声速,VI为接收器运动速率,al为声
源与接收器连线与接收器运动方向之间的夹角,V2为声源运动速率,(12
为声源与接收器连线与声源运动方向之间的夹角(如图1)。
若声源保持不动,运动物体上的接收器沿声源与接收器连线方向(a
=0)以速度V运动,则从(1)式可得接收器接收到的频率应为:
?V?f?fO??l?? ?u? (2)
当接收器向着声源运动时,V取正,反之取负。
若fO保持不变,以光电门测量物体的运动速度,并由仪器对接收器接
收到的频率自动计数,根据(2)式,作f-V关系图可直观验证多普勒效应,
且由实验点作直线,其斜率应为k=fO/u ,由此可计算出声速u=fO/k。
由(2)式可解出:
?f?V?u???f-l?? ?0? (3)
若己知声速u及声源频率fO,通过设置使仪器以某种时间间隔对接
收器接收到的频率f采样计数,由微处理器按(3)式计算出接收器运动速
度,由显示屏显示V-t关系图,或调阅有关测量数据,即可得出物体在运
动过程中的速度变化情况,进而对物体运动状况及规律进行研宄。
2、超声的红外调制与接收
早期产品中,接收器接收的超声信号由导线接入实验仪进行处理。由
于超声接收器安装在运动体上,导线的存在对运动状态有一定影响,导线
的折断也给使用带来麻烦。新仪器对接收到的超声信号采用了无线的红外
调制-发射-接收方式。即用超声接收器信号对红外波进行调制后发射,固
定在运动导轨一端的红外接收端接收红外信号后,再将超声信号解调出来
由于红外发射/接收的过程中信号的传输是光速,远远大于声速,它引起的
多普勒效应可忽略不计。采用此技术将实验中运动部分的导线去掉,使得
测量更准确,操作更方便。信号的调制-发射-接收-解调,在信号的无线传
输过程中是一种常用的技术。
【实验仪器】
图2多普勒实验仪面板图
实验仪采用菜单式操作,显示屏显示菜单及操作提示,由????键
选择菜单或修改参数,
按“确认”键后仪器执行。可在“查询”页面,查询到在实验时己保
存的实验的数裾。操作者只须按每个实验的提示即可完成操作。
仪器面板上两个指示灯状态介绍
失锁警告指示灯:亮,表示频率失锁。即接收信号较弱(原因:超声
接收器电量不足),此时不能进行实验,
须对超声接收器充电,让该指示灯灭;
灭,表示频率锁定。即接收信号能够满足实验要求,可以进行实验。
充电指示灯:灭,表示正在快速充电;
亮(绿色),表示正在沼流充电;
亮(黄色),表示已经充满;
亮(红色),表示已经充满或充电针未接触。
电机控制器功能介绍
1、 电机控制器可手动控制小车变换5种速度;
2、 手动控制小车“启动”,并自动控制小车倒回;
3、 5只LED灯即可指示当前设定