,大学物理实验,2,多普勒效应测声速,概述,对于机械波、声波、光波和电磁波而言，当波源和观察者（或接收器）之间发生相对运动，或者波源、观察者不动而传播介质运动时，或者波源、观察者、传播介质都在运动时,观察者接收到的波的频率和发出的波的频率不相同的现象，称为多普勒效应。,多普勒效应在核物理，天文学、工程技术，交通管理，医疗诊断等方面有十分广泛的应用。如用于卫星测速、光谱仪、多普勒雷达，多普勒彩色超声诊断仪等。,概述 对于机械波、声波、光波和电磁波而言，当波源和观察者（,一 实验目的,1,、理解声速的多普勒效应。,2,、理解相位法原理。,3,、用多普勒效应测量空气中的声速，并进行 误差分析。,4,、相位法测量声速，并进行误差分析。,一 实验目的1、理解声速的多普勒效应。,二 实验原理,在,x,方向传播的声波的数学表达式为：,声源、介质不动，接收器运动速度为,V,r,，同理可得接收器接收到的频率,:,其中,M,r,为接收器运动的马赫数，接收点向着声源运动时,V,r,（或,M,r,）为正，反之为负。,1,声速的多普勒效应,二 实验原理 在x方向传播的声波的数学表达式为：,二实验原理,2,相位法测量原理,相对于发射波束：,1,=Acos,（,t+2x/),来说，在经过,x,距离后，接收到的余弦波与原来位置处的相位差（相移）为,=2x/,。由此可见，在经过,x,距离后，接收到的余弦波与原来位置处的相位差（相移）为,=2x/,。因此能通过示波器，用李萨如图法观察测出声波的波长。,设入射波为,1,，反射波维,2,，两波叠加，形成波束,3,=2A,1,cos(2x/)cost,+,（,A,2,-A,1,）,cos,（,t-2x/),二实验原理2 相位法测量原理相对于发射波束：1=Acos（,三 实验仪器,（,1,）主测试仪面板图,（,2,）智能运动控制面板图,三 实验仪器（1）主测试仪面板图（2）智能运动控制面板图,三实验仪器,（,3,）线路连接示意图,三实验仪器（3）线路连接示意图,三 实验仪器,注意：,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，意外触发行程开关后要先切断测试架上的电机开关，接着把小车移动到导轨中央位置后再接通电机开关并且按一下复位键即可。,三 实验仪器注意：,四 实验内容和步骤,多普勒法,已知,c,0,=347m/s,换能器谐振频,f=37730Hz,，声源、介质不动，接收器运动速度为,v,r,。,实验步骤：,1,、按图（,3,）接线。,2,、把载接受换能器的小车移动到导轨最右端并把试验仪超声波发射强度和接受增益调到最大。,四 实验内容和步骤多普勒法,四 实验内容和步骤,3,、进入“多普勒效应实验”子菜单，切换到“设置源频率”后，按“,”“,”键增减信号频率，一次变化,10Hz,；用示波器观察接收换能器波形的幅度是否达到最大值，该值对应的超声波频率即为换能器的谐振频率。,4,、谐振频率调好后，“动态测量”，我们可以看到画面中换能器的接受频率（测量频率）和发射源频率是相等的，而且改变接受换能器的位置，该测量频率和发射频率始终是相等的，证明调谐成功。,四 实验内容和步骤3、进入“多普勒效应实验”子菜单，切换到“,四 实验内容和步骤,5,、切换到“动态测量”，设定小车速度，使小车在限位区间内正或反运行，记下测量频率和源频率之差,f,正和,f,反，以及智能运动控制系统给出的小车速度,Vr,。,6,、测量与记录,：,Vr(m/s),f,正,(Hz),f,反,(Hz),f=(f,正,+f,反,)/2,V=fVr/f(m/s),四 实验内容和步骤5、切换到“动态测量”，设定小车速度，使小,四 实验内容和步骤,注意：由于系统的测频精度为,1Hz,，所以低速测量时，多普勒效应的相对误差较大,数据处理：,四 实验内容和步骤注意：由于系统的测频精度为1Hz，所以低速,四 实验内容和步骤,相位法测量,c,0,=347m/s,，换能器谐振频率,f=37730Hz,。,实验步骤：,1,、按照例,1,的实验步骤,14,进行操作，使调谐成功。,2,、切换到“多普勒效应实验”画面进行实验，关闭导轨电源。,四 实验内容和步骤相位法测量,四 实验内容和步骤,3,、选择合适的发射强度，将示波器打到“,X-Y,”方式，选择合适的示波器通道增益，示波器显示李萨如图形。手动转动步进电机上的滚花帽使载接收换能器的小车缓慢移动，使李萨如图显示的椭圆变为一定角度的一条斜线，记录下此时的距离,L,i,-1,，距离由刻度尺和游标上读出。再向前或者向后（必须是一个方向）移动距离，使观察到的波形又回到前面所说的特定角度的斜线，这时接收波的相位变化,2,，记录下此时的距离,L,i,。即可求得声波波长：,i,=L,i,-L,i-1,。,四 实验内容和步骤3、选择合适的发射强度，将示波器打到“X-,四实验内容和步骤,L,1,L,1-1,L,2,L,2-1,L,3,L,3-1,L,4,L,4-1,L,5,L,5-1,L,6,L,6-1,4,、数据记录与处理,四实验内容和步骤L1L1-1L2L2-1L3L3-1L4L4,五 报告要求,1,，数据记录,2,，数据处理与误差分析,3,实验结论与总结,4,，回答教材上的问题,五 报告要求 1，数据记录,