多普勒效應實驗報告

專業(yè)：應用物理題目：多普勒效應實驗目的（1）了解多普勒效應原理，并研究相對運動的速度與接收到頻率之間的關系。（2）利用多普勒效應，研究做變速運動的物體其運動速度隨時間的變化關系，以及其機械能轉化的規(guī)律。實驗儀器ZKY-DPL-3多普勒效應綜合實驗儀，電子天平，鉤碼等。ZKY-DPL-3多普勒效應綜合實驗儀由導軌、滑車、水平超聲發(fā)射器、超聲接收器組件&紅外發(fā)射組件（已固定在小車上）、紅外接收器、光電探頭、滑車驅動電機控制器以及滑車牽引繩組成，如圖所示。工作時，水平超聲發(fā)射器可以發(fā)出頻率為40kHz左右的超聲波，該超聲波通過滑車上的超聲接收組件接收，并將超聲信號調制成紅外信號并通過紅外發(fā)射組件發(fā)射，再由儀器另一端的紅外接收器接收?；嚳梢栽隍寗与姍C的作用下運動也可以在鉤碼的牽引下運動主要原理當波源和接收器之間有相對運動時，接收器接收到的波的頻率與波源發(fā)出的頻率不相同，當波源向觀察者接近時觀察者所接收到的頻率將變高，反之接收的頻率將變低。該理論適合所有形式的波，包括聲波和電磁波。實驗步驟1.超聲的多普勒效應當滑車在驅動電機的作用下作變速運動并掠過光電探頭時，小車上的兩個遮光桿分別通過光電探頭并形成遮光，儀器會測量兩次遮光時間并自動使用這個時間計算小車的運行速度，與此同時儀器會記錄下滑車通過超聲接收組件時所接收到的超聲頻率。（1） 按圖3.8-5所示連接實驗儀器，使滑車牽引繩繞過滑輪與滑車驅動電機后兩端與滑車的前后端相連，并調整好滑車牽引繩的松緊；（2） 打開實驗儀控制箱，使用tu將室溫tc值調到實際室溫，按“確認”鍵后儀器將進行自動檢測壓電陶瓷換能器的工作頻率f0（3） 使用tu鍵修改測試總次數(shù)（選擇范圍5~10，因為有5種可變速度，一般選5次）（4） 使用12V電源為滑車的超聲接收組件&紅外發(fā)射組件充電，并確認實驗儀器控制箱上“失鎖警告指示燈”處于“滅”的狀態(tài)；（5） 用滑車驅動電機控制器上的“變速”按鈕選定一個滑車速率，并使滑車移動到驅動電機控制器附近，使車體后端的磁體距離控制器表面1~15mm之間，準備好后，按“確認”，再按電機控制器上的“啟動”鍵，開始實驗，儀器將自動記錄小車通過光電門時的平均運動速度及與之對應的平均接收頻率；（6） 按電機控制器上的“變速”按鈕，重新選擇速度，重復步驟（5）；（7）記錄實驗數(shù)據(jù)，繪制f-v關系曲線。2.用多普勒效應研究恒力作用下物體的運動規(guī)律

(1)使用電子天平，分別稱量鉤碼質量m1和滑車質量m0；(2)按圖3.8-7所示連接實驗儀器，使水平超聲發(fā)射器、超聲接收組件&紅外發(fā)射組件以及紅外接收器在一條直線上，并用細繩繞過滑輪后分別連接在鉤碼和滑車兩端；使用pq在液晶顯示屏上，選中“變速運動測量實驗”，并按“確認”鍵；使用tu鍵修改測量點總數(shù)(選擇范圍8~150)，選擇采樣步距，tu修改采樣步距(選擇范圍10~100ms)選中“開始測試”完成后，立即松開鉤碼，使滑車在鉤碼驅動作用下開始作變速直線運動；測量完成后，記錄顯示屏上出現(xiàn)的測量數(shù)據(jù)，并填入表中。改變砝碼質量，重復步驟(1)?(6)。(v)將測得的觀測頻率f代入公式f=1+—f計算得到小車的運動速度v,式中的波速uO為聲音在空氣中的IUo八傳播速度，可通過函數(shù)u■yRT0傳播速度，可通過函數(shù)u■yRT0(i+T~)代入室溫計算得到。使用Excel繪制v-t關系曲線，并對實驗數(shù)據(jù)進行適當?shù)姆治鰯?shù)據(jù)和數(shù)據(jù)處理多普勒效應的驗證與聲速的測量t二21.6OC f二40002Hzc0測量數(shù)據(jù)次數(shù)i12345v/(m/s)i0.440.640.830.991.12f/Hzi4005340076400994011740133(f-1)X10-3f01.27491.84992.42492.87493.2748根據(jù)多普勒效應(v)f=1+—Iu丿0因此，令f(v)二if-1=kvfi因此，令f(v)二i0數(shù)據(jù)擬合結果如下

0.003-0.002-EquXony0.003-0.002-EquXony=A4問PielGWfiigrtt:NoWeighllngiriercepiD7-SlopeO.GOE&liW1W12ResidijaiSunkofSqua□.35297E-1QPeaison^「0.9999?R-Square（COD）0曲0連.?=ydj.R-Squara0999951.00.4D.BVi工f（v正V—工f（v）vi i iii=1k=j= i=i i=i =0.0029126i=1i=i=「丿v2ii=1-1=0.0029126v相關系數(shù)為0.99996，說明擬合結果很好，f與v確實呈線性關系根據(jù)該關系式，聲速測量值為u= =343.336m/s0測k該溫度下，聲速理論值為U0理=\1營（1+1"）=331-45P+27T15=344306m/S0百分差為u—ug= 0測x100%=0.29%u0理比較用駐波法和行波法測聲速的實驗的百分差2.29%和1.48%，該聲速測量值同樣較為精確，因此可認為多普勒效應式成立，即(v)f=1+—fLu丿00滑車在鉤碼驅動作用下的運動規(guī)律測量滑車質量m=590.1g采樣步距t=50ms00

序號i12345678910砝碼質量m/git/si00.050.100.150.200.250.300.350.400.4556.5f/Hzi40022400244002840030400364003840044400444004640051v/(m/s)i0.170.190.220.240.290.310.360.360.380.42t/si00.050.100.150.200.250.300.350.400.4592.2f/Hzi40036400444005140057400674007140075400854008740095v/(m/s)i0.290.360.420.470.560.590.630.710.730.80t/si00.050.100.150.200.250.300.350.400.45104.8f/Hzi40072400764008240086400964009940113401174012540131v/(m/s)i0.600.640.690.720.810.830.960.991.061.11t/si00.050.100.150.200.250.300.350.400.45116.7f/Hzi40066400684008040086400994009940113401194012940135v/(m/s)i0.550.570.670.720.830.830.961.011.091.14（表中V值通過多普勒定律計算得到）iV-t關系擬合結果如下o.s-y=d4-EFiPlot6o.s-y=d4-EFiPlot6V/flghBNO'A^QhlinaIMH臨阻Q16631和IM6&呂IgeRcsdiBl3imffiSquare0001的Pssrsasrisr0SKK23R-3quar*{COD)09B461陽斥-aqueR：EqLStKXIy二曰*m日WeightHoWeighingInLercept0.3OT731OXKISlo^e1.1MBS蝕腳Residi?alSumofSq0.0020^Peerson^r□.0959R-Squ3re(COD)-0M1&1Adj.R-Square0.9TO79040.400Equanomy-Equanomy-a?E>felPiaBVfcahfiNoWdQhlingimercepi057^5^0013Slope11理40QSReskdudSuncdSq'jarDOD4-I-4Pcijraars「D59241R-3quac(COD；iD閃畑AdjR-Square0.9B3Equationy=滬HYPlglBWe*ghlMoWelghongInlerce^lD5239170.01Slope1378181>0.05ResidualSumofSqu000M6P^aracn'arR-SCjUfl/efCOD]D95435D9BB74.Adj.R^Square09B733a=0.564m/s21a=1.107m/s22a=1.184m/s23a=1.378m/s24因此，運動規(guī)律分別為v=0.56411v=1.107t2v=1.184t3v=1.378t4分析與討論1.理論值與測量值之間偏差的分析相較于聲速的測量，加速度的測量結果與理論值偏差較大四次實驗加速度測量值與理論值及其百分差如下砝碼質量m/g1測量加速度a/(m/s2)理論加速度a—gm1 /(m/s2)m+m0 1Aa—差值a'-a百分差a'-a0—a'■x100%56.50.5640.8570.29334.2%92.21.1071.3260.21916.5%104.81.1841.4790.29519.9%116.71.3781.6200.24214.9%理論加速度均大于測量加速度，因為計算過程中未考慮阻力，包括空氣阻力，滑車與滑軌間的摩擦力，滑輪與繩子間的摩擦力等，在此統(tǒng)稱為阻理論加速度公式可修正為gma— 1—m+m01

0.293+0.219+0.295+0.242Aa= =0.2624f—Aaxm—01548由此可粗略估計該阻0 ，理論上空氣阻力應隨物體運動速度的增加而增加，且與速度平方呈正比此實驗中速度變化較小，阻力基本上保持不變。2.關于采樣點的選取滑車剛起步時受環(huán)境影響較大