用多普勒效應(yīng)研究物體運(yùn)動(dòng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)浙江農(nóng)林大學(xué).doc

用多普勒效應(yīng)研究物體運(yùn)動(dòng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)班級(jí)： 學(xué)號(hào)： 姓名： 聯(lián)系方式： 實(shí)驗(yàn)時(shí)間： 年 月 日摘要：本實(shí)驗(yàn)是以多普勒實(shí)驗(yàn)原理為基礎(chǔ),根據(jù)預(yù)先設(shè)汁好的實(shí)驗(yàn)方案.利用實(shí)驗(yàn)室提供的 儀器和用具，研究物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，求重力加速度和驗(yàn)證牛頓第二定律,再依據(jù)實(shí)驗(yàn)所得原 始數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析，得出結(jié)論。關(guān)鍵詞：多普勒效應(yīng)、重力加速度、簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)、牛頓第二定律一、引言用氣墊導(dǎo)軌研究物體的運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)了解了物休運(yùn)動(dòng)的規(guī)律，多普勒效應(yīng)測(cè)聲速實(shí)驗(yàn)對(duì)多普勒效應(yīng)綜合實(shí)驗(yàn)儀的熟悉后，本實(shí)驗(yàn)利用多普勒效應(yīng)將超聲探頭作為運(yùn)動(dòng)傳感器,研究物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。根裾實(shí)驗(yàn)室提供的普勒實(shí)驗(yàn)設(shè)備，來設(shè)計(jì)求重力加速度，.設(shè)計(jì)簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)方案等方案，完成物體運(yùn)動(dòng)的研究任務(wù)。二、實(shí)驗(yàn)任務(wù)1 利用實(shí)驗(yàn)室捉供的儀器和提供的用具，有v-t圖關(guān)系直線的斜率求重力加速度。2. 設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單的簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)方案，測(cè)量簡(jiǎn)諧振動(dòng)的周期等參數(shù)，并與理論值比較，驗(yàn)證機(jī) 械能守恒定律。三、實(shí)驗(yàn)儀器整套儀器由試驗(yàn)儀，超聲波發(fā)射/接收器，導(dǎo)軌，支架，電磁鐵，彈簧，滑輪，砝碼等組成。四、實(shí)驗(yàn)原理根據(jù)聲波的多普勒效應(yīng)公式，當(dāng)聲源與接收器之間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，接收器接收到的頻率f 為： f = f0（u+V1cos 1）/（uV2cos 2） （1） （式中f0 為聲源發(fā)射頻率，u 為聲速，V1 為接收器運(yùn)動(dòng)速率， 1 為聲源與接收器連線與接收器運(yùn)動(dòng)方向之間的夾角，V2 為聲源運(yùn)動(dòng)速率， 2 為聲源與接收器連線與聲源運(yùn)動(dòng)方向之間的夾角。 ）若聲源保持不動(dòng)，運(yùn)動(dòng)物體上的接收器沿聲源與接收器連線方向以速度V 運(yùn)動(dòng)，則從（1）式可得接收器接收到的頻率應(yīng)為： f = f0（1+V/u） （2） 當(dāng)接收器向著聲源運(yùn)動(dòng)時(shí)，V 取正，反之取負(fù)。 若f0 保持不變，以光電門測(cè)量物體的運(yùn)動(dòng)速度，并由儀器對(duì)接收器接收到的頻率自動(dòng)計(jì)數(shù)，根據(jù)（2）式，作f-V 關(guān)系圖可直觀驗(yàn)證多普勒效應(yīng)，且由實(shí)驗(yàn)點(diǎn)作直線，其斜率應(yīng)為 k=f0/u ，由此可計(jì)算出聲速 u=f0/k 。 由（2）式可解出： V = u（f/f0 1） （3） 若已知聲速u 及聲源頻率f0 ，通過設(shè)置使儀器以某種時(shí)間間隔對(duì)接收器接收到的頻率f 采樣計(jì)數(shù)，由微處理器按（3）式計(jì)算出接收器運(yùn)動(dòng)速度，由顯示屏顯示Vt 關(guān)系圖，或調(diào)閱有關(guān)測(cè)量數(shù)據(jù)，即可得出物體在運(yùn)動(dòng)過程中的速度變化情況，進(jìn)而對(duì)物體運(yùn)動(dòng)狀況及規(guī)律進(jìn)行研究。五、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1、實(shí)驗(yàn)儀的預(yù)調(diào)節(jié)實(shí)驗(yàn)儀開機(jī)后，首先耍求輸入室溫，這是因?yàn)橛?jì)箅物體運(yùn)動(dòng)速度時(shí)要代入聲速，而聲速是溫度的函數(shù)。要求對(duì)超聲發(fā)生器的驅(qū)動(dòng)頻率進(jìn)行調(diào)諧。以接受器諧振電流達(dá)到最大作為諧振的數(shù)椐。在超聲應(yīng)用中，需要將發(fā)生器與接收器的頻率匹配，并將駙動(dòng)頻率調(diào)到諧振頻率，才能有效的發(fā)射與接收超聲波。2、設(shè)計(jì)簡(jiǎn)諧振動(dòng)如圖2所示安裝實(shí)驗(yàn)裝置將彈簧懸掛于電磁鐵上方的排鉤孔中，接收器組件的尾翼懸掛在彈簧上。接收組件懸掛上彈簧之后，測(cè)最彈簧長度。加掛質(zhì)量為m的砝碼，測(cè)量加掛砝碼后彈簧的伸長x，然后取下砝碼。由m及x就可計(jì)算k。用天平稱垂直運(yùn)動(dòng)超聲接收器接收器組件的質(zhì)量M,由k和M就可計(jì)算o,并 與角頻率的測(cè)里值比較。在液晶顯示屏上，選中“變速運(yùn)動(dòng)測(cè)量實(shí)驗(yàn)”：選擇測(cè)試次數(shù)；將接收器從平衡位置垂直向下拉約20cm,松手讓接收器自由振蕩，然后按“確認(rèn)”，接 圖2 收器組件開始作簡(jiǎn)諧 振動(dòng)。記錄儀器上的數(shù)椐。六、數(shù)據(jù)處理和分析 采樣次數(shù)i5678g (m/s2)平均值g理論值g0百分誤差(g-g0)/g0ti =s(i-1) (s)0.200.250.300.35ViViViViM(kg)x(m)k=mg/x(kg/s2)0=(k/M)1/2(1/s)N1 maxN8 maxT=0.01(N11 maxN1 max) (s)=2/T(1/s)百分誤差(0)/ 0七、實(shí)驗(yàn)誤差分析1系統(tǒng)誤差：(1)實(shí)驗(yàn)中滑輪與細(xì)繩等處存在摩擦力，影響物體下落的加速度大小;C2)滑輪卡得太緊，細(xì)繩不容易滑落產(chǎn)生較大的阻力：(3)彈簧用的過度，各處的的勁度系數(shù)不冋。2偶然誤差：接收器在下落時(shí)的保護(hù)時(shí)，不小心碰到接收器的細(xì)繩產(chǎn)生阻力，按收器安裝時(shí)與發(fā)射器不在同一直線上，接收的頻率有誤差。八、結(jié)束語通過本次的實(shí)驗(yàn)，加深我們對(duì)多普勒效應(yīng)諧振動(dòng)的了解及其實(shí)際的應(yīng)用。拓展了我們對(duì)現(xiàn)有學(xué)習(xí)的知識(shí)的實(shí)際應(yīng)用的領(lǐng)域。實(shí)驗(yàn)中最主要的誤差因來源于定滑輪與細(xì)繩的摩檫力和彈簧的勁度系數(shù)的分布不均勻?？梢酝ㄟ^調(diào)節(jié)定滑輪和史換彈簧來解決問題。所以在以后做實(shí)驗(yàn)的