多普勒效應(yīng)綜合實驗

資料范本本資料為word版本，可以直接編輯和打印，感謝您的下載多普勒效應(yīng)綜合實驗地點： 時間： 說明：本資料適用于約定雙方經(jīng)過談判，協(xié)商而共同承認(rèn)，共同遵守的責(zé)任與義務(wù)，僅供參考，文檔可直接下載或修改，不需要的部分可直接刪除，使用時請詳細閱讀內(nèi)容多普勒效應(yīng)綜合實驗摘要:關(guān)鍵詞：當(dāng)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)出的頻率不同的現(xiàn)象稱為多普勒效應(yīng)。多普勒效應(yīng)在科學(xué)研究，工程技術(shù)，交通管理，醫(yī)療診斷等各方面都有十分廣泛的應(yīng)用。例如：原子，分子和離子由于熱運動使其發(fā)射和吸收的光譜線變寬，稱為多普勒增寬，在天體物理和受控?zé)岷司圩儗嶒炑b置中，光譜線的多普勒增寬已成為一種分析恒星大氣及等離子體物理狀態(tài)的重要測量和診斷手段?；诙嗥绽招?yīng)原理的雷達系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于導(dǎo)彈，衛(wèi)星，車輛等運動LI標(biāo)速度的監(jiān)測。在醫(yī)學(xué)上利用超聲波的多普勒效應(yīng)來檢查人體內(nèi)臟的活動情況，血液的流速等。電磁波（光波）與聲波（超聲波）的多普勒效應(yīng)原理是一致的。本實驗既可研究超聲波的多普勒效應(yīng)，乂可利用多普勒效應(yīng)將超聲探頭作為運動傳感器，研究物體的運動狀態(tài)?！緦嶒濰的】1、 測量超聲接收器運動速度與接收頻率之間的關(guān)系，驗證多普勒效應(yīng)，并由f-v關(guān)系直線的斜率求聲速。2、 利用多普勒效應(yīng)測量物體運動過程中多個時間點的速度，查看v—t關(guān)系曲線，或調(diào)閱有關(guān)測量數(shù)據(jù)，即可得出物體在運動過程中的速度變化情況，可研究：自山落體運動，并由v-t關(guān)系直線的斜率求重力加速度。簡諧振動，可測量簡諧振動的周期等參數(shù)，并與理論值比較。勻加速直線運動，測量力、質(zhì)量與加速度之間的關(guān)系，驗證牛頓笫二定律。其它變速直線運動?！緦嶒炘怼?、超聲的多普勒效應(yīng)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運動時，接收器接收到的頻率f為：f=fO(u+Vlcosal)/(u-V2cosa2) (1)式中fO為聲源發(fā)射頻率，u為聲速，VI為接收器運動速率，a1為聲源與接收器連線與接收器運動方向之間的夾角，V2為聲源運動速率，a2為聲源與接收器連線與聲源運動方向之間的夾角。若聲源保持不動，運動物體上的接收器沿聲源與接收器連線方向以速度V運動，則從(1)式可得接收器接收到的頻率應(yīng)為：f=fO(1+V/u) (2)當(dāng)接收器向著聲源運動時，V取正，反之取負。若fO保持不變，以光電門測量物體的運動速度，并山儀器對接收器接收到的頻率自動計數(shù)，根據(jù)(2)式，作f—V關(guān)系圖可直觀驗證多普勒效應(yīng)，且由實驗點作直線,其斜率應(yīng)為k=fO/u,由此可計算出聲速u=fO/ko由(2)式可解出：V=u(f/fO-1) (3)若已知聲速u及聲源頻率fO,通過設(shè)置使儀器以某種時間間隔對接收器接收到的頻率f采樣訃數(shù)，山微處理器按(3)式計算出接收器運動速度，山顯示屏顯示V—t關(guān)系圖，或調(diào)閱有關(guān)測量數(shù)據(jù)，即可得出物體在運動過程中的速度變化情況，進而對物體運動狀況及規(guī)律進行研究。2、超聲的紅外調(diào)制與接收早期產(chǎn)品中，接收器接收的超聲信號山導(dǎo)線接入實驗儀進行處理。III于超聲接收器安裝在運動體上，導(dǎo)線的存在對運動狀態(tài)有一定影響，導(dǎo)線的折斷也給使用帶來麻煩。新儀器對接收到的超聲信號釆用了無線的紅外調(diào)制-發(fā)射-接收方式。即用超聲接收器信號對紅外波進行調(diào)制后發(fā)射，固定在運動導(dǎo)軌一端的紅外接收端接收紅外信號后，再將超聲信號解調(diào)出來。由于紅外發(fā)射/接收的過程中信號的傳輸是光速，遠遠大于聲速，它引起的多譜勒效應(yīng)可忽略不計。采用此技術(shù)將實驗中運動部分的導(dǎo)線去掉，使得測量更準(zhǔn)確，操作更方便。信號的調(diào)制-發(fā)射-接收-解調(diào)，在信號的無線傳輸過程中是一種常用的技術(shù)。【實驗儀器及簡介】多普勒效應(yīng)綜合實驗儀山實驗儀，超聲發(fā)射/接收器，紅外發(fā)射/接收器，導(dǎo)軌，運動小車，支架，光電門，電磁鐵，彈簧，滑輪，祛碼等組成。實驗儀內(nèi)置微處理器，帶有液晶顯示屏，圖1為實驗儀的面板圖。實驗儀釆用菜單式操作，顯示屏顯示菜單及操作提示，山鍵選擇菜單或修改參數(shù)，按“確認(rèn)”鍵后儀器執(zhí)行?？稍凇安樵儭表撁?，查詢到在實驗時已保存的實驗的數(shù)據(jù)。操作者只須按提示即可完成操作。圖1多普勒實驗儀面板圖儀器面板上兩個指示燈狀態(tài)介紹：失鎖警告指示燈：亮，表示頻率失鎖。即接受信號較弱，此時不能進行試驗，需調(diào)整讓該指示燈滅；滅，表示頻率鎖定。即接收信號能夠滿足實驗要求，可以進行正常實驗。充電指示燈：滅，表示正在快速充電：亮（綠色），表示正在涓流充電；亮（黃色），表示已經(jīng)充滿；亮（紅色），表示已經(jīng)充滿或充電針未接觸。實驗一驗證多普勒效應(yīng)并由測量數(shù)據(jù)計算聲速讓小車以不同速度通過光電門，儀器自動記錄小車通過光電門時的平均運動速度及與之對應(yīng)的平均接收頻率。由儀器顯示的f—v關(guān)系圖可看出速度與頻率的關(guān)系，若測量點成直線，符合（2）式描述的規(guī)律，即直觀驗證了多普勒效應(yīng)。用作圖法或線性回歸法計算f—V直線的斜率k,lllk計算聲速u并與聲速的理論值比較，計算其百分誤差。如圖2所示。所有需固定的附件均安裝在導(dǎo)軌上，并在兩側(cè)的安裝槽上固定。調(diào)節(jié)水平超聲發(fā)射器的高度，使其與超聲接收器（已固定在小車上）在同一個平面上，再調(diào)整紅外接收器高度和方向，使其與紅外發(fā)射器（已固定在小車上）在同一軸線上。將組件電纜接入實驗儀的對應(yīng)接口上。安裝完畢后，讓電磁鐵吸住小車，給小車上的傳感器充電，第一次充電時間約6?8秒，充滿后（儀器面板充電燈變綠色）可以持續(xù)使用4?5分鐘。在充電時要注意，必須讓小車上的充電板和電磁鐵上的充電針接觸良好。圖2多普勒效應(yīng)驗證實驗及測量小車水平運動安裝示意圖【注意事項】=1\*GB3①安裝時要盡量保證紅外接收器、小車上的紅外發(fā)射器和超聲接收器、超聲發(fā)射器三者之間在同一軸線上，以保證信號傳輸良好：=2\*GB3②安裝時不可擠壓連接電纜，以免導(dǎo)線折斷；=3\*GB3③小車不使用時應(yīng)立放，避免小車滾輪沾上污物，影響實驗進行。測量準(zhǔn)備實驗儀開機后，首先要求輸入室溫。因為訃算物體運動速度時要代入聲速，而聲速是溫度的函數(shù)。利用VA將室溫T值調(diào)到實際值，按“確認(rèn)”。然后儀器將進行自動檢測調(diào)諧頻率fO,約兒秒鐘后將自動得到調(diào)諧頻率，將此頻率fO記錄下來，按“確認(rèn)”進行后面實驗。測量步驟在液晶顯示屏上，選中“多普勒效應(yīng)驗證實驗”，并按“確認(rèn)”；利用》鍵修改測試總次數(shù)（選擇范圍5~10,—般選5次），按▼,選中“開始測試”；準(zhǔn)備好后，按“確認(rèn)”，電磁鐵釋放，測試開始進行，儀器自動記錄小車通過光電門時的平均運動速度及與之對應(yīng)的平均接收頻率；改變小車的運動速度，可用以下兩種方式：a.舷碼牽引：利用舷碼的不同組合實現(xiàn)；b.用手推動：沿水平方向?qū)π≤囀┮宰兞?，使其通過光電門。為便于操作，一般由小到大改變小車的運動速度。每一次測試完成，都有“存入”或“重測”的提示，可根據(jù)實際情況選擇，“確認(rèn)”后回到測試狀態(tài)，并顯示測試總次數(shù)及已完成的測試次數(shù)；改變舷碼質(zhì)量(舷碼牽引方式)，并退回小車讓磁鐵吸住，按“開始”，進行第二次測試；完成設(shè)定的測量次數(shù)后，儀器自動存儲數(shù)據(jù)，并顯示f—V關(guān)系圖及測量數(shù)據(jù)?！咀⒁馐马棥啃≤囁俣炔豢商欤苑佬≤嚸撥壍鋼p壞。數(shù)據(jù)記錄與處理由f—V關(guān)系圖可看出，若測量點成直線，符合(2)式描述的規(guī)律，即直觀驗證了多普勒效應(yīng)。用崎建選中“數(shù)據(jù)”，▼鍵翻閱數(shù)據(jù)并記入表1中，用作圖法或線性回歸法計算f—V關(guān)系直線的斜率k。公式(4)為線性回歸法計算k值的公式，其中測量次數(shù)i=5?n,nW10。(4)由k計算聲速u二fO/k,并與聲速的理論值比較，聲速理論值由uO二331(1+1/273)1/2(米/秒)計算，t表示室溫。測量數(shù)據(jù)的記錄是儀器自動進行的。在測量完成后，只需在出現(xiàn)的顯示界面上，用就建選中“數(shù)據(jù)”，▼鍵翻閱數(shù)據(jù)并記入表1中，然后按照上述公式計算出相關(guān)結(jié)果并填入表格。表1多普勒效應(yīng)的驗證與聲速的測量 fO二40002實驗二研究自由落體運動，求自由落體加速度讓帶有超聲接收器的接收組件自山下落，利用多普勒效應(yīng)測量物體運動過程中多個時間點的速度，查看V—t關(guān)系曲線，并調(diào)閱有關(guān)測量數(shù)據(jù)，即可得出物體在運動過程中的速度變化情況，進而訃算自山落體加速度。儀器安裝與測量準(zhǔn)備儀器安裝如圖5所示。為保證超聲發(fā)射器與接收器在一條垂線上，可用細繩栓住接收器，檢查從電磁鐵下垂時是否正對發(fā)射器。若對齊不好，可用底座螺釘加以調(diào)節(jié)。充電時，讓電磁閥吸住自曲落體接收器，并讓該接收器上充電部分和電磁閥上的充電針接觸良好。充滿電后，將接收器脫離充電針，下移懸掛在電磁鐵上。測量步驟在液晶顯示屏上，用▼選中“變速運動測量實驗”，并按“確認(rèn)”；利用》鍵修改測量點總數(shù)，通常選10~20個點(選擇范圍曠150)；▼選擇采樣步距，通常選10?30ms(選擇范圍10、100ms),選中“開始測按“確認(rèn)”后，電磁鐵釋放，接收器組件自由下落。測量完成后，顯示屏上顯示v-t圖，用瞬選擇“數(shù)據(jù)”，閱讀并記錄測量結(jié)果。在結(jié)果顯示界面中用瑜選擇“返回”，“確認(rèn)”后重新回到測量設(shè)置界面。可按以上程序進行新的測量。數(shù)據(jù)記錄與處理將測量數(shù)據(jù)記入表2中，山測量數(shù)據(jù)求得V—t直線的斜率即為重力加速度go為減小偶然誤差，可作多次測量，將測量的平均值作為測量值，并將測量值與理論值比較，求百分誤差。表2 自由落體運動的測量注：表2中ti二0.05(i-l),ti為第i次采樣與第1次采樣的時間間隔差，0.03表示采樣步距為50mso如果選擇的采樣步距為20ms,則ti應(yīng)表示為ti二0.02(i-1)。依次類推，根據(jù)實際設(shè)置的采樣步距而定采樣時間?！咀⒁馐马棥?1\*GB3①須將“自由落體接收器保護盒”套于發(fā)射器上，避免發(fā)射器在非正常操作時受到?jīng)_擊而損壞;=2\*GB3②安裝時切不可擠壓電磁閥上的電纜；=3\*GB3③接收器組件下落時，若其運動方向不是嚴(yán)格的在聲源與接收器的連線方向，則al（為聲源與接收器連線與接收器運動方向之間的夾角，右圖是其示意圖）在運動過程中增加，此時公式（2）不再嚴(yán)格成立，由（3）式計算的速度誤差也隨之增加。故在數(shù)據(jù)處理時，可根據(jù)情況對最后2個采樣點進行取舍。實驗三、研究簡諧振動當(dāng)質(zhì)量為m的物體受到大小與位移成正比，而方向指向平衡位置的力的作用時，若以物體的運動方向為x軸，其運動方程為：（5）由（5）式描述的運動稱為簡諧振動，當(dāng)初始條件為t二0時，x=-A0,V=dx/dt=0,則方程（6）的解為：x=—AOcos0t （6）將（6）式對時間求導(dǎo)，可得速度方程：V=sOAOsinsOt （7）圖5自山落體運動安裝示意圖圖6垂直諧振安裝示意圖III（6）（7）式可見物體作簡諧振動時，位移和速度都隨時間周期變化，式中30二（k/m）l/2,為振動的角頻率。測量時儀器的安裝如圖6,若忽略空氣阻力，根據(jù)胡克定律，作用力與位移成正比，懸掛在彈簧上的物體應(yīng)作簡諧振動，而（5）式中的k為彈簧的倔強系數(shù)。儀器安裝與測量準(zhǔn)備儀器的安裝如圖6所示。將彈簧懸掛于電磁鐵上方的掛鉤孔中，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，測量彈簧長度。加掛質(zhì)量為m的舷碼，測量加掛舷碼后彈簧的伸長量Ax,記入表3中，然后取下璉碼。由m及Ax就可計算k。用天平稱量垂直運動超聲接收器接收器組件的質(zhì)量M,111k和M就可計算30,并與角頻率的測量值3比較。測量步驟：在液晶顯示屏上，用▼選中“變速運動測量實驗”，并按“確認(rèn)”；利用》鍵修改測量點總數(shù)為150（選擇范圍8^150）,▼選擇采樣步距，并修改為100（選擇范圍50"100ms）,選中“開始測試”；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)”，接收器組件開始作簡諧振動。實驗儀按設(shè)置的參數(shù)自動采樣，測量完成后，顯示屏上出現(xiàn)速度隨時間變化關(guān)系的曲線；在結(jié)果顯示界面中用》鍵選擇“返回”，“確認(rèn)”后重新回到測量設(shè)置界面?？砂匆陨铣绦蜻M行新的測量?！咀⒁馐马棥拷邮掌髯陨秸袷庨_始后，再按“確認(rèn)”鍵：數(shù)據(jù)記錄與處理查閱數(shù)據(jù)，記錄笫1次速度達到最大時的釆樣次數(shù)"max和笫11次速度達到最大時的采樣次數(shù)Nllmax,就可計算實際測量的運動周期T及角頻率3,并可計算30與3的百分誤差。表3簡諧振動的測量實驗四研究勻變速直線運動，驗證牛頓第二運動定律質(zhì)量為M的接收器組件，與質(zhì)量為m的眩碼托及眩碼懸掛于滑輪的兩端（M>m）,系統(tǒng)的受力情況為：接收組件的重力列，方向向下。耘碼組件通過細繩和滑輪施加給接收組件的力四，方向向上。摩擦阻力，大小與接收器組件對細繩的張力成正比，可表示為C(g-a)M,a為加速度，C為摩擦系數(shù)，摩擦力方向與運動方向相反。系統(tǒng)所受合外力為gM—gm—C(g—a)Mo運動系統(tǒng)的總質(zhì)量為M+m+J/R2。J為滑輪的轉(zhuǎn)動慣量，R為滑輪繞線槽半徑，J/R2相當(dāng)于將滑輪的轉(zhuǎn)動等效于線性運動時的等效質(zhì)量。根據(jù)牛頓笫二定律，可列出運動方程：gM-gm-C(g-a)M=a(M+m+j/R2) (8)實驗時改變舷碼組件的質(zhì)量m,即改變了系統(tǒng)所受的合外力和質(zhì)量。對不同的組合測量其運動情況，采樣結(jié)束后會顯示V—t曲線，將顯示的采樣次數(shù)及對應(yīng)速度記入表4中。由記錄的t,V數(shù)據(jù)求得V—t直線的斜率即為此次實驗的加速度ao(8)式可以改寫為：a=g[(l-C)M-m]/[(l-C)M+m+J/R2] (9)將表4得出的加速度。作縱軸，[(l—C)M—in]/[(1—C)M+m+J/R2]作橫軸作圖，若為線性關(guān)系，符合(9)式描述的規(guī)律，即驗證了牛頓第二定律，且直線的斜率應(yīng)為重力加速度。在我們的系統(tǒng)中，摩擦系數(shù)C=0.07,滑輪的等效質(zhì)量J/R2=0.014kg—.儀器安裝圖7勻變速直線運動安裝示意圖儀器安裝如圖7所示，讓電磁閥吸住接收器組件，測量準(zhǔn)備同實驗二。用天平稱量接收器組件的質(zhì)量M,舷碼托及舷碼質(zhì)量，每次取不同質(zhì)量的舷碼放于舷碼托上，記錄每次實驗對應(yīng)的m?！咀⒁馐马棥?1\*GB3①安裝滑輪時，滑輪支桿不能遮住紅外接收和自由落體組件之間信號傳輸。=2\*GB3②其余注意事項同實驗二。測量步驟在液晶顯示屏上，用▼選中“變速運動測量實驗”，并按“確認(rèn)”；利用》鍵修改測量點總數(shù)為8(選擇范圍8~150),▼選擇采樣步距，并修改為100ms(選擇范圍50"100ms),選中“開始測試”；按“確認(rèn)”后，磁鐵釋放，接收器組件拉動舷碼作垂直方向的運動。測量完成后，顯示屏上出現(xiàn)測量結(jié)果。在結(jié)果顯示界面中用鍵選擇“返回”，“確認(rèn)”后重新回到測量設(shè)置界面。改變舷碼質(zhì)量，按以