文档介绍：多普勒效应综合实验
摘 要：
关键词：
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已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，车辆等运动目标速度的
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。本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传感器，研究物体的运动状态。
【 实验目的 】
、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。
、利用多普勒效应测量物体运动过程中多个时间点的速度，查看 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 】
、超声的多普勒效应
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：
f = f 0 u U+Vi cos a 1）/ u U - V2cos a 2） （ 1 ）
式中f 0为声源发射频率，U为声速，Vi为接收器运动速率，a 1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，a 2为声源与接收器连线与声源运动方向之间的夹角。
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以速度 V 运动，则从（ 1 ）式可 得接收器接收到的频率应为：
f = f 0（ 1+V/U） （2）
当接收器向着声源运动时， V取正，反之取负。
若 f 0 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=f 0/U ，由此
可计算出声速 U=f 0/k 。
由（ 2）式可解出：
V = u （f/f 0 - 1 ） （3）
若已知声速 U 及声源频率 f 0 ，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究。
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，它引起的多谱勒效应可忽略不计。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。
【 实验仪器及简介 】
多普勒效应综合实验仪由实验仪，超声发射 / 接收器，红外发射 / 接收器，导轨，运动小车，支架，光
电门，电磁铁，弹簧，滑轮，砝码等组成。实验仪内置微处理器，带有液晶显示屏，图 1 为实验仪的
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，由上^ ??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，查询到在实验时已保存的实验的数据。操作者只须按提
示即可完成操作。
失被瞥告
充电指示
［邮见他启
■ ■■■ ■ ■ ■ ■ ■
O 0
*关俄 0 快速先电
o锁定 米♦沼就充当
米・充满成天接触
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。即接受信号较弱，此时不能进行试验，需调整让该指示灯灭； 灭，表示频率锁定。即接收信号能够满足实验要求，可以进行正常实验。
充电指示灯：
灭，表示正在快速充电；
亮（绿色）