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多普勒效应预习报告

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实验目的：
（1）了解多普勒效应原理，并研究相对运动的速度与接收频率之间的关系。

（2）利用多普勒效应，研究做变速运动的物体其运动速度随时间的变化关系，以及其机械能转化的规律。

实验仪器：
ZKY-DPL-3多普勒效应综合实验仪、电子天平、钩码等。

仪器装置：
ZKY-DPL-3多普勒效应综合实验仪由导轨、滑车、水平超声发射器、超声接收器组件及红外发射组件（已固定在小车上）、红外接收器、光电探头、滑车驱动电动机控制器以及滑车牵引绳组成，如图4.12-5所示。

工作时水平超声发射器可以发出频率为40kHz左右的超声波，该超声波通过滑车上的超声接收组件接收，并将超声信号调制成红外信号并通过红外发射组件发射，再由仪器另一端的红外接收器接收。

滑车可以在驱动电动机的作用下运动，也可以在钩码的牵引下运动。

ZKY-DPL-3多普勒效应综合实验仪面板如图4.12-6所示。

实验仪采用菜单式操作，显示屏显示菜单及操作提示，由“上”，“下”，“左”，“右”键选择菜单或修改参数，按“确认”键后仪器执行。

可在“查询”页
面，查询到实验时已保存的实验数据。

操作者只需按每个实验的提示即可完成操作，除此之外，实验仪面板上的指示灯分别表示：
（1）失锁警告指示灯：灯亮，表示频率失锁。

说明红外接收器接收到的信号较弱，可能是由于红外发射组件和红外接收器之间有遮挡或超声接收组件及红外发射组件需要充电造成的。

用12
稳压电源对超声接收组件及红外发射组件充电，充电时间约6~8s，充电后可以持续使用4~5分钟。

灯灭，表示频率锁定，即接收信号能够满足实验要求，可以进行实验。

（2）充电指示灯：灭，表示正在快速充电；
亮（绿色），表示正在涡流充电；
亮（黄色），表示已经充满；
亮（红色），表示已经充满或充电针未接触。

实验原理：
1.声波的多普勒效应
假设一个点声源的振动在且均匀各项同性的介质中传播，图中的每一个圆表示一个波面，任一波面上的个点的相位与相邻圆各点的相位
差均为，两相邻圆的半径之差为该点的声波波长。

当声源相对于介质静止不动时，各个波面可以组成一个同心圆，声波的频率f0、波长λ0以及波速u0表示为
f0λ0
4.12-1
现将接收器测得的声波频率、波长和波速分别称为观测频率、观测波
长和观测波速，并分别记为f、u，可表示为：
λ 4.12-2
当接收器以一定的速度向声源运动时，接收器所测得的各个球面波的
仍等于
测得的观测速度u变为u0 + v0，因此，式
（4.12-2）可改写为
u0+v0λ0 4.12-3
联立式（4.12-2）和式（4.12-3）可得
0+v0λ0
f0λ0+vλ00 )
0表示声源相对介质静止时，接收器与声源的相对运动速率，接收器朝声源运动为正值，反之为负值。

同样的，如果接收器相对介质静止，而声源以速率
’朝向接收器运动如图（4.12-1b)所示，此时接收器所测得的观测波长
’0-
′,其中，
为声源的振动周期。

同时由于接收器相对于
′仍为u0，则接收器测得的观测频率为
′=u′λ′=u0(u0−v′)T=u0(uo−v′)f0
4.12-4
式中，v'表示当接收器相对介质静止时，接收器与声源的相对运动速率，当声源朝向接收器运动为正值，反之为负值。

对于更普遍的情况，当声源与接收器之间的相对运动如图（4.12-2)所示时，我们同样可以得到接收器的观测频率f为
′=f0u0+v1cosΘ1u0+v2cosΘ2
4.12-5
0为声源发射频率；u0为声波的波
速；v1为声源与接收器连线与接收器运动方向之间的夹角。

v2为声源运动速率，
为声源与接收器连线与声源运动方向之间的夹角。

式（4.12-6)是具有普适性的多普勒效应公式，而式（4.12-4)和(4.12-5)为该式的两种特殊情况。

2.马赫锥
当一个飞行器以超音速飞行时，由于飞行器的速度大于声音在空气中的传播速度，作为声源的飞行器会在空气中造成一系列的扰动，并且这些扰动按照球面波的形式向外传播，如图4.12-3所示。

当t=0时，飞行器即声源在x=0初，t=t'时飞行器处于A'处。

球面波的包络面是一个定角为A'以x轴为对称轴的圆锥面，这个圆锥称为马赫锥。

很明显，在马赫锥之外没有声音传播，也就是说，在马赫锥之外无论飞行
器距离观察者多近也无法测得声波。

马赫锥的半定角
可以表示为
α=arcsin u0v=arcsin1M 4.12-7
式中，u0为声波的波速；v为飞行器的运动速率；
=
0称为马赫数。

此外，由于声波可以引起空气疏密的变化，在高空飞行的飞行器当其速度超过声速时，往往在马赫锥内部会形成由于空气疏密变化而形成的云雾，图4.12-4为英国媒体公布的战斗机在破音障（此时飞行器速度大于声速）时产生圆锥形云雾的照片。

3.天文学中的多普勒效应
在天文学研究中，往往比较关心用天文望远镜或射电望远镜观察到的恒星发出的电磁波的情况。

当发出电磁波的波源（一般为恒星）与观察者(一般位于地球）之间出现相对运动关系时，其测量到的电磁波的观测频率同样会发生变化，而且往往电磁波的波源（恒星）与观察者
（地球）之间的相对运动速度很快，需要考虑相对论效应对这种多普勒效应产生的影响。

假设以光源作为参考系，观察者以速度vc向光源运动。

在考虑洛伦兹变换的情况下，观察者测得两个波面的时间为
=λc c+v c1√1−v2c c2=√1−v2c c2(1+v c c)f c
4.12-8
c为电磁波的波长；c为光速；
c为电磁波在播远处所发出的频率；
c为以光源为参考系观察者相对于光源的运动速度，朝向光源运动为正值，反之为负值。

观察者所测得的电磁波
为
=1t=f
√1+v c c1−v c c 4.12-9
1848年，法国物理学家斐索首先利用多普勒效应对恒星的波长偏移做了解释，并指出了利用这种效应测量恒星相对速度的办法。

如果恒星
远离我们而去，则其发出的光的谱线就向长波长方向移动，称为红移；如果恒星朝向我们运动，则其发出的光的谱线就向短波长方向移动，称为蓝移。

这里需要指出的是，我们通常所说的多普勒效应是空间本身不变化，观察者和光源在空间中作相对运动而产生的物理效应。

但对于宇宙膨胀而引起的宇宙学红移来说，由于是空间本身膨胀而引发的现象，所以并不是多普勒效应，也不能运用多普勒效应对宇宙学红移现象进行物理解释。

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多普勒效应综合实验报告及数据处理图

多普勒效应综合实验报告及数据处理图

多普勒效应综合实验（附数据处理图）(注：由于上传后文库中数据图看不清楚，须下载后才能看清楚) 当波源和接收器之间有相对运动时，接收器接收到的波的频率与波源发出的频率不同的现象称为多普勒效应。

多普勒效应在科学研究，工程技术，交通管理，医疗诊断等各方面都有十分广泛的应用。

例如：原子，分子和离子由于热运动使其发射和吸收的光谱线变宽，称为多普勒增宽，在天体物理和受控热核聚变实验装置中，光谱线的多普勒增宽已成为一种分析恒星大气及等离子体物理状态的重要测量和诊断手段。

基于多普勒效应原理的雷达系统已广泛应用于导弹，卫星，车辆等运动目标速度的监测。

在医学上利用超声波的多普勒效应来检查人体内脏的活动情况，血液的流速等。

电磁波（光波）与声波（超声波）的多普勒效应原理是一致的。

本实验既可研究超声波的多普勒效应，又可利用多普勒效应将超声探头作为运动传感器，研究物体的运动状态。

【实验目的】1、测量超声接收器运动速度与接收频率之间的关系，验证多普勒效应，并由f－V关系直线的斜率求声速。

2、利用多普勒效应测量物体运动过程中多个时间点的速度，查看V－t关系曲线，或调阅有关测量数据，即可得出物体在运动过程中的速度变化情况，可研究：①匀加速直线运动，测量力、质量与加速度之间的关系，验证牛顿第二定律。

②自由落体运动，并由V－t关系直线的斜率求重力加速度。

③简谐振动，可测量简谐振动的周期等参数，并与理论值比较。

④其它变速直线运动。

【实验原理】1、超声的多普勒效应根据声波的多普勒效应公式，当声源与接收器之间有相对运动时，接收器接收到的频率f为：f = f0（u+V1cosα1）/（u–V2cosα2）（1）式中f0为声源发射频率，u为声速，V1为接收器运动速率，α1为声源与接收器连线与接收器运动方向之间的夹角，V2为声源运动速率，α2为声源与接收器连线与声源运动方向之间的夹角。

若声源保持不动，运动物体上的接收器沿声源与接收器连线方向以速度V运动，则从（1）式可得接收器接收到的频率应为：f = f0（1+V/u）（2）当接收器向着声源运动时，V取正，反之取负。

多普勒效应综合实验预习材料

多普勒效应综合实验预习材料

式中f0为声源发射频率，u为声速，V1为接收器运动速率，α1为声源与接收器连线与接收器运动方向之间的夹角，V2为声源运动速率，α2为声源与接收器连线与声源运动方向之间的夹角。
若声源保持不动，运动物体上的接收器沿声源与接收器连线方向以速度V运动，则从（1）式可得接收器接收到的频率应为：
f = f0（1+V/u）（2）
ZKY-DPL-3
多普勒效应综合实验仪
（电机拖动型）
实验指导及操作说明书
多普勒效应综合实验
当波源和接收器之间有相对运动时，接收器接收到的波的频率与波源发出的频率不同的现象称为多普勒效应。多普勒效应在科学研究，工程技术，交通管理，医疗诊断等各方面都有十分广泛的应用。例如：原子，分子和离子由于热运动使其发射和吸收的光谱线变宽，称为多普勒增宽，在天体物理和受控热核聚变实验装置中，光谱线的多普勒增宽已成为一种分析恒星大气及等离子体物理状态的重要测量和诊断手段。基于多普勒效应原理的雷达系统已广泛应用于导弹，卫星，车辆等运动目标速度的监测。在医学上利用超声波的多普勒效应来检查人体内脏的活动情况，血液的流速等。电磁波（光波）与声波（超声波）的多普勒效应原理是一致的。本实验既可研究超声波的多普勒效应，又可利用多普勒效应将超声探头作为运动传感器，研究物体的运动状态。
【实验目的】
1、测量超声接收器运动速度与接收频率之间的关系，验证多普勒效应，并由f－V关系直线的斜率求声速。
2、利用多普勒效应测量物体运动过程中多个时间点的速度，查看V－t关系曲线，或调阅有关测量数据，即可得出物体在运动过程中的速度变化情况，可研究：
①自由落体运动，并由V－t关系直线的斜率求重力加速度。
仪器面板上两个指示灯状态介绍
失锁警告指示灯：亮，表示频率失锁。即接收信号较弱，此时不能进行实验，需调整让该指示灯灭；
2024年高中物理新教材讲义：多普勒效应

2024年高中物理新教材讲义：多普勒效应

5多普勒效应[学习目标] 1.知道什么是多普勒效应，理解多普勒效应的形成原因(重点)。

2.了解多普勒效应在生活中的应用，会用多普勒效应解释一些物理现象(重点)。

一、多普勒效应1．多普勒效应波源与观察者相互靠近或者相互远离时，接收到的波的频率都会发生变化的现象。

2．多普勒效应产生的原因(1)当波源与观察者相对静止时，1s 内通过观察者的波峰(或密部)的数目是一定的，观测到的频率等于波源振动的频率。

(2)当波源与观察者相互接近时，1s 内通过观察者的波峰(或密部)的数目增加(选填“增加”或“减少”)，观测到的频率增大(选填“增大”或“减小”)；反之，当波源与观察者相互远离时，观测到的频率减小(选填“增大”或“减小”)。

只要观察者与波源发生相对运动，就会产生多普勒效应，观测到的频率就大于波源振动的频率，这种说法对吗？为什么？答案不对，如果观察者绕着波源做圆周运动，虽然两者间发生了相对运动，但观察者接收的频率与波源发出的频率依然相等，并未发生多普勒效应。

1．相对位置变化与频率的关系相对位置图示结论(频率、音调、波面)波源S 和观察者A 相对静止f 观察者＝f 波源，音调不变波源S 不动，观察者运动，由A →B 或A →C 由A →B ，f 观察者>f 波源，音调升高由A →C ，f 观察者<f 波源，音调降低观察者A 不动，波源S 运动，由S →S ′，接近观察者或远离观察者波源向哪运动，哪个方向波面被压缩较密集接近观察者，f 观察者>f 波源，音调升高远离观察者，f 观察者<f 波源，音调降低2.成因归纳(1)发生多普勒效应时，一定是由于波源与观察者之间发生了相对运动，且两者间距发生变化。

(2)发生多普勒效应时，波源的频率保持不变，只是观察者接收到的频率发生了变化。

(1)观察者与声源间没有相对运动也可能产生多普勒效应。

(×)(2)当波源和观察者向同一个方向运动时，一定发生多普勒效应。

多普勒效应实验报告讲解

多普勒效应实验报告讲解

大连理工大学大学物理实验报告院（系） _____________________ 专业 ____________________ 班级 __________________ 姓 名 ____________________ 学号 __________________ 实验台号 ____________________ 实验时间 ____________ 年 ______ 月_日，第_周，星期 _______________ 第 _________ 节实验名称 多普勒效应及声速的测试与应用 _________教师评语 _______________________________________________________________________________________________实验目的与要求：1. 加深对多普勒效应的了解2. 测量空气中声音的传播速度及物体的运动速度主要仪器设备：DH-DPL 多普勒效应及声速综合测试仪，示波器其中，DH-DPL 多普勒效应及声速综合测试仪由实验仪、智能运动控制系统和测试架三个部份组成。

实验原理和内容:1、声波的多普勒效应实际的声波传播多处于三维的状态下， 先只考虑其中的一维（x 方向）以简化其处理过程。

设声源在原点，声源振动频率为f ,接收点在X 。

，运动和传播都在x 轴向上， 则可以得到声源和接收点没有相对运动时的振动位移表达式：然后分多种情况考虑多普勒效应的发生:1.1声源运动速度为V S ，介质和接收点不动假设声源在移动时只发出一个脉冲波， 在t 时刻接收器收到该脉冲波，则可以算出从零时刻到声源发出该脉冲波时，声源移动的距离为V S （t -X C o ），而该时刻声源和接收器的实际距离为X =X o -V s （t-X. C o ）,若令M s =V s /C o （声源运动的马赫数），声源向接收点运动时 V s （或M S ）其中- 一 X 。