用多普勒效應(yīng)研究物體運動

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1、多普勒效應(yīng)研究物體運動的設(shè)計與實現(xiàn)姓名：班級：學號：時間：2012.11.12摘要：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)出的頻率不同的現(xiàn)象稱為多普勒效應(yīng)。多普勒效應(yīng)在科學研究，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，在天體物理和受控熱核聚變實驗裝置中，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。基于多普勒效應(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

2、目標速度的監(jiān)測。在醫(yī)學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)，又可利用多普勒效應(yīng)將超聲探頭作為運動傳感器，研究物體的運動狀態(tài)。關(guān)鍵詞：多普勒效應(yīng)牛頓第二定律簡諧振動引言多普勒效應(yīng)是為紀念奧地利物理學家及數(shù)學家克里斯琴·約翰·多普勒（ChristianJohannDoppler）而命名的，他于1842年首先提出了這一理論。主要內(nèi)容為：物體輻射的波長因為波源和觀測者的相對運動而產(chǎn)生變化。在運動的波源

3、前面，波被壓縮，波長變得較短，頻率變得較高（藍移blueshift）；當運動在波源后面時，會產(chǎn)生相反的效應(yīng)。波長變得較長，頻率變得較低（紅移redshift）。波源的速度越高，所產(chǎn)生的效應(yīng)越大。根據(jù)波紅（藍）移的程度，可以計算出波源循著觀測方向運動的速度。恒星光譜線的位移顯示恒星循著觀測方向運動的速度。除非波源的速度非常接近光速，否則多普勒位移的程度一般都很小。所有波動現(xiàn)象都存在多普勒效應(yīng)。多普勒效應(yīng)不僅僅適用于聲波,它也適用于所有類型的波，包括電磁波?？茖W家愛德文·哈勃（EdwinHubble）使用多普勒

4、效應(yīng)得出宇宙正在膨脹的結(jié)論。多普勒效應(yīng)指出，波在波源移向觀察者時接收頻率變高，而在波源遠離觀察者時接收頻率變低。當觀察者移動時也能得到同樣的結(jié)論?！緦嶒炄蝿?wù)】1.利用實驗室提供的儀器和用具，由V-t關(guān)系直線的斜率求重力加速度。2.設(shè)計簡諧振動方案，測量簡諧振動的周期等參數(shù)，并與理論值比較，驗證機械能守恒定律。3.研究勻變速直線運動，測量力、質(zhì)量、加速度之間的關(guān)系，驗證牛頓第二運動定律?！緦嶒瀮x器】整套儀器由實驗儀，超聲發(fā)射/接收器，導(dǎo)軌，運動小車，支架，光電門，電磁鐵，彈簧，滑輪，砝碼等組成?！緦嶒瀮?nèi)容】一

5、．研究勻變速直線運動，驗證牛頓第二運動定律實驗原理：質(zhì)量為M的接收器組件，與質(zhì)量為m的砝碼托及砝碼懸掛于滑輪的兩端，運動系統(tǒng)的總質(zhì)量為M＋m，所受合外力為(M－m)g（滑輪轉(zhuǎn)動慣量與摩擦力忽略不計）。根據(jù)牛頓第二定律，系統(tǒng)的加速度應(yīng)為：a=g(M－m)/（M＋m）(5)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2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a。將表1得出的加速度a作縱軸，(M－m)/(M＋m)作橫軸作圖，若為線性關(guān)系，符合（5）式描述的規(guī)律，即驗證了牛頓第

6、二定律，且直線的斜率應(yīng)為重力加速度。儀器安裝與測量準備1.儀器安裝如圖1所示，讓電磁閥吸住自由落體接收器。2.儀器安裝如圖2所示，讓電磁閥吸住自由落體接收器，并讓該接收器上充電部分和電磁閥上的充電針接觸良好。3．用天平稱量接收器組件的質(zhì)量M，砝碼托及砝碼質(zhì)量，每次取不同質(zhì)量的砝碼放于砝碼托上，記錄每次實驗對應(yīng)的m。4．由于超聲發(fā)生器和接收器已經(jīng)改變了，因此需要對超聲發(fā)生器的驅(qū)動頻率重新調(diào)諧。圖2勻變速直線運動安裝示意圖圖1自由落體運動測量步驟1.在液晶顯示屏上，用▼選中“變速運動測量實驗”，并按“確認”；2

7、.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50ms（選擇范圍50~100ms），選中“開始測試”；3．按“確認”后，磁鐵釋放，接收器組件拉動砝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。4．在結(jié)果顯示界面中用鍵選擇“返回”，“確認”后重新回到測量設(shè)置界面。改變砝碼質(zhì)量，按以上程序進行新的測量。數(shù)據(jù)記錄與處理采樣結(jié)束后顯示V－t直線，用鍵選擇“數(shù)據(jù)”，將顯示的采樣次數(shù)及相應(yīng)速度記入表2中，ti為采樣次數(shù)與采樣步距的乘積。由記錄的t，V數(shù)據(jù)求得V－t直線的斜率，就是此次

8、實驗的加速度a。將表2得出的加速度a作縱軸，(M－m)/(M＋m)作橫軸作圖，若為線性關(guān)系，符合（5）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。表一自由落體運動的測量采樣次數(shù)i2345678加速度a(m/s2)平均值理論值相對誤差ti=0.05(i-1)(s)0.050.100.150.200.250.300.359.489.679.801.3%Vi0.090.500.741.181.091