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实验十一 多普勒效应的验证 一、实验目的 1. 了解多普勒效应。 2．利用多普勒效应测定小车的运动。 二、实验仪器 DH-DPL系列多普勒效应及声速综合实验仪 三、实验原理 声波的多普勒效应 设声源在原点，声源振动频率为f，接收点在x，运动和传播都在x方向。对于三维情况，处理稍复杂一点，其结果相似。声源、接收器和传播介质不动时，在x方向传播的声波的数学表达式为： （1-1），介质和接收点不动 设声速为，在时刻t ,声源移动的距离为 因而声源实际的距离为 ∴ （1-2） =/为声源运动的马赫数，声源向接收点运动时（或）为正，反之为负，将式1-2代入式1-1： 可见接收器接收到的频率变为原来的, 即: （1-3） ，同理可得接收器接收到的频率: （1-4） 为接收器运动的马赫数，接收点向着声源运动时（或）为正，反之为负。 ③介质不动，声源运动速度为，接收器运动速度为，可得接收器接收到的频率: （1-5） ④介质运动，设介质运动速度为,得 根据1-1式可得： ∴ （1-6）为介质运动的马赫数。介质向着接收点运动时（或）为正，反之为负。 可见若声源和接收器不动，则接收器接收到的频率： （1-7）2种情况：声源、介质不动，接收器运动速度为。根据1-4式可知，改变就可得到不同的以及不同的△f =-f，从而验证了多普勒效应。另外，若已知、f，并测出，则可算出声速，可将用多普勒频移测得的声速值与用时差法测得的声速作比较。若将仪器的超声换能器用作速度传感器，就可用多普勒效应来研究物体的运动状态。 四、实验内容与步骤 把测试架上收发换能器(固定的换能器为发射，运动的换能器为接受)及光电门I连在实验仪上的相应插座上,实验仪上的“发射波形”及“接收波形”与普通双路示波器相接,将“发射强度”及“接收增益”调到最大；将测试架上的光电门II、限位及电机控制接口与智能运动控制系统相应接口相连；将智能运动控制系统“电源输入”接实验仪的“电源输出”。开机后可进行下面的实验。 1.验证多普勒效应 进入“多普勒效应实验”画面后，先“设置源频率”,用“”“”增减信号频率，一次变化10Hz，同时观察示波器的波形，当接收波幅达最大时，源频率即已设好。 接着转入“瞬时测量”，确保小车在两限位光电门之间后，开启智能运动控制系统电源，设置匀速运动的速度，使小车运动，测量完毕后，可得到过光电门时的信号频率,多普勒频移及小车运动速度。 改变小车速度，反复多次测量，可作出或关系曲线。 改变小车的运动方向，再改变小车速度，反复多次测量，作出或关系曲线。 然后转入“动态测量”，记下不同速度时换能器的接受频率变化值。注意：动态测量仅限于小车运动速度较低时。 改变小车速度，反复多次测量，可作出或关系曲线。 改变小车的运动方向，再改变小车速度，反复多次测量，作出或关系曲线。 动态法可更直观的验证多普勒效应。 2. 研究物体的运动状态 将超声换能器用作速度传感器，可进行匀速直线运动，匀加（减）直线运动，简谐振动等实验。这时应进入“变速运动实验”，设置好采样点数，采样步距后,“开始测量”，测量完后显示出结果。 进行运动实验时，除了用智能运动系统控制的小车外，还可换用手动小车，这时注意应该推动小车系统的底部使小车运动，并且不能用力过大、过猛。 五、注意事项 1、使用时，应避免信号源的功率输出端短路。 2、注意仪器部件的正确安装、线路正确连接。 3、仪器的运动部分是由步进电机驱动的精密系统，严禁运行过程中人为阻碍小车的运动。 4、注意避免传动系统的同步带受外力拉伸或人为损坏。 5、小车不允许在导轨两侧的限位位置外侧运行。