大學物理試驗課件

大學物理實驗2多普勒效應測聲速

概述對于機械波、聲波、光波和電磁波而言，當波源和觀察者（或接收器）之間發(fā)生相對運動，或者波源、觀察者不動而傳播介質運動時，或者波源、觀察者、傳播介質都在運動時,觀察者接收到的波的頻率和發(fā)出的波的頻率不相同的現(xiàn)象，稱為多普勒效應。多普勒效應在核物理，天文學、工程技術，交通管理，醫(yī)療診斷等方面有十分廣泛的應用。如用于衛(wèi)星測速、光譜儀、多普勒雷達，多普勒彩色超聲診斷儀等。概述對于機械波、聲波、光波和電磁波而言，當波源和觀察者（一實驗目的1、理解聲速的多普勒效應。2、理解相位法原理。3、用多普勒效應測量空氣中的聲速，并進行誤差分析。4、相位法測量聲速，并進行誤差分析。一實驗目的1、理解聲速的多普勒效應。二實驗原理

在x方向傳播的聲波的數學表達式為：

聲源、介質不動，接收器運動速度為Vr

，同理可得接收器接收到的頻率:其中Mr為接收器運動的馬赫數，接收點向著聲源運動時Vr（或Mr

）為正，反之為負。

1聲速的多普勒效應二實驗原理在x方向傳播的聲波的數學表達式為：二實驗原理2相位法測量原理相對于發(fā)射波束：ξ1=Acos（ωt+2πx/λ)來說，在經過△x距離后，接收到的余弦波與原來位置處的相位差（相移）為θ=2π△x/λ。由此可見，在經過△x距離后，接收到的余弦波與原來位置處的相位差（相移）為θ=2π△x/λ。因此能通過示波器，用李薩如圖法觀察測出聲波的波長。設入射波為ξ1，反射波維ξ2，兩波疊加，形成波束ξ3=2A1cos(2πx/λ)cosωt+（A2-A1）cos（ωt-2πx/λ)二實驗原理2相位法測量原理相對于發(fā)射波束：ξ1=Acos（三實驗儀器（1）主測試儀面板圖（2）智能運動控制面板圖三實驗儀器（1）主測試儀面板圖（2）智能運動控制面板圖三實驗儀器（3）線路連接示意圖三實驗儀器（3）線路連接示意圖三實驗儀器注意：1、使用時，應避免信號源的功率輸出端短路。2、注意儀器部件的正確安裝、線路正確連接。3、儀器的運動部分是由步進電機驅動的精密系統(tǒng)，嚴禁運行過程中人為阻礙小車的運動。4、注意避免傳動系統(tǒng)的同步帶受外力拉伸或人為損壞。5、小車不允許在導軌兩側的限位位置外側運行，意外觸發(fā)行程開關后要先切斷測試架上的電機開關，接著把小車移動到導軌中央位置后再接通電機開關并且按一下復位鍵即可。三實驗儀器注意：四實驗內容和步驟多普勒法已知c0=347m/s換能器諧振頻f=37730Hz，聲源、介質不動，接收器運動速度為vr

。實驗步驟：1、按圖（3）接線。2、把載接受換能器的小車移動到導軌最右端并把試驗儀超聲波發(fā)射強度和接受增益調到最大。四實驗內容和步驟多普勒法四實驗內容和步驟3、進入“多普勒效應實驗”子菜單，切換到“設置源頻率”后，按“

”“

”鍵增減信號頻率，一次變化10Hz；用示波器觀察接收換能器波形的幅度是否達到最大值，該值對應的超聲波頻率即為換能器的諧振頻率。4、諧振頻率調好后，“動態(tài)測量”，我們可以看到畫面中換能器的接受頻率（測量頻率）和發(fā)射源頻率是相等的，而且改變接受換能器的位置，該測量頻率和發(fā)射頻率始終是相等的，證明調諧成功。四實驗內容和步驟3、進入“多普勒效應實驗”子菜單，切換到“四實驗內容和步驟5、切換到“動態(tài)測量”，設定小車速度，使小車在限位區(qū)間內正或反運行，記下測量頻率和源頻率之差Δf正和Δf反，以及智能運動控制系統(tǒng)給出的小車速度Vr。6、測量與記錄：Vr(m/s)Δf正(Hz)Δf反(Hz)Δf=(Δf正+Δf反)/2V=f×Vr/Δf(m/s)四實驗內容和步驟5、切換到“動態(tài)測量”，設定小車速度，使小四實驗內容和步驟注意：由于系統(tǒng)的測頻精度為1Hz，所以低速測量時，多普勒效應的相對誤差較大數據處理：四實驗內容和步驟注意：由于系統(tǒng)的測頻精度為1Hz，所以低速四實驗內容和步驟相位法測量c0=347m/s，換能器諧振頻率f=37730Hz。實驗步驟：1、按照例1的實驗步驟1~4進行操作，使調諧成功。2、切換到“多普勒效應實驗”畫面進行實驗，關閉導軌電源。四實驗內容和步驟相位法測量四實驗內容和步驟3、選擇合適的發(fā)射強度，將示波器打到“X-Y”方式，選擇合適的示波器通道增益，示波器顯示李薩如圖形。手動轉動步進電機上的滾花帽使載接收換能器的小車緩慢移動，使李薩如圖顯示的橢圓變?yōu)橐欢ń嵌鹊囊粭l斜線，記錄下此時的距離Li-1，距離由刻度尺和游標上讀出。再向前或者向后（必須是一個方向）移動距離，使觀察到的波形又回到前面所說的特定角度的斜線，這時接收波的相位變化2π，記錄下此時的距離Li。即可求得聲波波長：λi=│Li-Li-1│。四實驗內容和步驟3、選擇合適的發(fā)射強度，將示波器打到“X-四實驗內容和步驟L1L1-1L2L2-1L3L3-1L4L4-1L5L