多普勒效应综合实验装置图

① 多普勒效应的原理是什么

在单色的情况下，我们的眼睛感知的颜色可以解释为光波振动的频率，或者解释为，在1秒钟内电磁场所交替为变化的次数。在可见区域，这种效率越低，就越趋向于红色，频率越高的，就趋向于蓝色——紫色。比如，由氦——氖激光所产生的鲜红色对应的频率为4.74×1014赫兹，而汞灯的紫色对应的频率则在7× 1014赫兹以上。这个原则同样适用于声波：声音的高低的感觉对应于声音对耳朵的鼓膜施加压力的振动频率（高频声音尖厉，低频声音低沉）。

如果波源是固定不动的，不动的接收者所接收的波的振动与波源发射的波的节奏相同：发射频率等于接收频率。如果波源相对于接收者来说是移动的，比如相互远离，那么情况就不一样了。相对于接收者来说，波源产生的两个波峰之间的距离拉长了，因此两上波峰到达接收者所用的时间也变长了。那么到达接收者时频率降低，所感知的颜色向红色移动（如果波源向接收者靠近，情况则相反）。为了让读者对这个效应的影响大小有个概念，在图4中显示了多普勒频移，近似给出了一个正在远离的光源在相对速度变化时所接收到的频率。例如，在上面提到的氦——氖激光的红色谱线，当波源的速度相当于光速的一半时（参见图中所画的虚线），接收到的频率由4.74×1014赫兹下降到4.74×1014赫兹，这个数值大幅度地降移到红外线的频段。

一、声波的多普勒效应

在日常生活中，我们都会有这种经验：当一列鸣着汽笛的火车经过某观察者时，他会发现火车汽笛的声调由高

变低. 为什么会发生这种现象呢？这是因为声调的高低是由声波振动频率的不同决定的，如果频率高，声调听起来

就高；反之声调听起来就低.这种现象称为多普勒效应，它是用发现者克里斯蒂安·多普勒（Christian

Doppler,1803-1853）的名字命名的，多普勒是奥地利物理学家和数学家.他于1842年首先发现了这种效应.为了理

解这一现象，就需要考察火车以恒定速度驶近时，汽笛发出的声波在传播时的规律.其结果是声波的波长缩短，好象

波被压缩了.因此，在一定时间间隔内传播的波数就增加了，这就是观察者为什么会感受到声调变高的原因；相反，

当火车驶向远方时，声波的波长变大，好象波被拉伸了. 因此，声音听起来就显得低沉.定量分析得到f1=（u+v0）

/（u-vs）f ，其中vs为波源相对于介质的速度，v0为观察者相对于介质的速度，f表示波源的固有频率，u表示波

在静止介质中的传播速度. 当观察者朝波源运动时，v0取正号；当观察者背离波源（即顺着波源）运动时，v0取负

号. 当波源朝观察者运动时vs前面取负号；前波源背离观察者运动时vs取正号. 从上式易知，当观察者与声源相互

靠近时，f1＞f ；当观察者与声源相互远离时。f1＜f

二、光波的多普勒效应

具有波动性的光也会出现这种效应，它又被称为多普勒-斐索效应. 因为法国物理学家斐索（1819-1896）于

1848年独立地对来自恒星的波长偏移做了解释，指出了利用这种效应测量恒星相对速度的办法.光波与声波的不同之

处在于，光波频率的变化使人感觉到是颜色的变化. 如果恒星远离我们而去，则光的谱线就向红光方向移动，称为

红移；如果恒星朝向我们运动，光的谱线就向紫光方向移动，称为蓝移.

三、光的多普勒效应的应用

20世纪20年代，美国天文学家斯莱弗在研究远处的旋涡星云发出的光谱时，首先发现了光谱的红移，认识到了

旋涡星云正快速远离地球而去.1929年哈勃根据光普红移总结出著名的哈勃定律：星系的远离速度v与距地球的距离

r成正比，即v=Hr,H为哈勃常数.根据哈勃定律和后来更多天体红移的测定，人们相信宇宙在长时间内一直在膨胀，

物质密度一直在变小. 由此推知，宇宙结构在某一时刻前是不存在的，它只能是演化的产物. 因而1948年伽莫夫（

G. Gamow）和他的同事们提出大爆炸宇宙模型. 20世纪60年代以来，大爆炸宇宙模型逐渐被广泛接受，以致被天文

学家称为宇宙的"标准模型" .

多普勒-斐索效应使人们对距地球任意远的天体的运动的研究成为可能，这只要分析一下接收到的光的频谱就行

了. 1868年，英国天文学家W. 哈金斯用这种办法测量了天狼星的视向速度（即物体远离我们而去的速度），得出了

46 km/s的速度值

② 如何设计实验证明多普勒效应

多普勒效应的发现1842年奥地利一位名叫多普勒的数学家、物理学家。一天，他正路过 多普勒效应1铁路交叉处，恰逢一列火车从他身旁驰过，他发现火车从远而近时汽笛声变响，音调变尖，而火车从近而远时汽笛声变弱，音调变低。他对这个物理现象感到极大兴趣，并进行了研究。发现这是由于振源与观察者之间存在着相对运动，使观察者听到的声音频率不同于振源频率的现象。这就是频移现象。因为，声源相对于观测者在运动时，观测者所听到的声音会发生变化。当声源离观测者而去时，声波的波长增加，音调变得低沉，当声源接近观测者时，声波的波长减小，音调就变高。音调的变化同声源与观测者间的相对速度和声速的比值有关。这一比值越大，改变就越显著，后人把它称为“多普勒效应”。就这样证明

③ 多普勒效应综合实验为什么要调谐振

多普勒效应综合实验要调谐振的原因：因为在谐振频率下可形成驻波，根据驻波的情况可测量声波的波长，再用波长乘以谐振频率就可以获得声速的大小，否则会严重影响声速测量的准确性。

当声源离观测者而去时，声波的波长增加，音调变得低沉，当声源接近观测者时，声波的波长减小，音调就变高。多普勒效应不仅仅适用于声波，它也适用于所有类型的波，包括电磁波。

适用

多普勒效应不仅仅适用于机械波，它也适用于所有类型的波，包括电磁波和引力波。科学家爱德文·哈勃（Edwin Hubble）使用多普勒效应得出宇宙正在膨胀的结论。他发现远离银河系的天体发射的光线频率变低，即移向光谱的红端，称为红移，天体离开银河系的速度越快红移越大，这说明这些天体在远离银河系。反之，如果天体正移向银河系，则光线会发生蓝移。

④ 多普勒效应实验

光电门用来测小车的速度，放上声源的小车远离（或靠近）的速度越大，听到（或测到）的音频就变得越低（或越高）——多普勒效应越明显。

⑤ 谁帮忙发一个简单实验的介绍500字左右

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测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。本实验即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：
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。
利用多普勒效应测量物体运动过程中多个时间点的速度，由显示屏显示V-t关系图，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：
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。
自由落体运动，并由V-t关系直线的斜率求重力加速度。
简谐振动，可测量简谐振动的周期等参数，并于理论值比较。
其它变速直线运动。

实验仪器：
多普勒效应综合实验仪。

实验原理：
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：
（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：
（2）
当接收器向着声源运动时，V取正，反之取负。
若f0保持不变，以光电门测量物体的运动速度，并由仪器对接收器接收到的频率自动计数，根据（2）式，作f-V关系图可直观验证多普勒效应，且由实验点作直线，其斜率应为，由此可计算出声速。
由（2）式可解出：
（3）
若已知声速u及声源频率f0，通过设置使仪器以某种时间间隔对接收器接收到的频率f采样计数，由微处理器按（3）式计算出接收器运动速度，由显示屏显示V-t关系图，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，进而对物体运动状况及规律进行研究。

仪器介绍：
整套仪器由实验仪，超声发射/接收器，导轨，运动小车，支架，光电门，电磁铁，弹簧，滑轮，砝码等组成。实验仪内置微处理器，带有液晶显示屏，图1为实验仪的面板图。

实验仪采用菜单式操作，显示屏显示菜单及操作提示，由键选择菜单或修改参数，按确认键后仪器执行。操作者只须按提示即可完成操作，学生可把时间和精力用于物理概念和研究对象，不必花大量时间熟悉特定的仪器使用，提高了课时利用率。

验证多普勒效应时，仪器的安装如图2所示。导轨长1.2m，两侧有安装槽，所有需固定的附件均安装在导轨上。
测量时先设置测量次数（选择范围5~10），然后使运动小车以不同速度通过光电门（即可用砝码牵引，也可用手推动），仪器自动记录小车通过光电门时的平均运动速度及与之对应的平均接收频率，完成测量次数后，仪器自动存储数据，根据测量数据作f-V图，并显示测量数据。
作小车水平方向的变速运动测量时，仪器的安装类似图2，只是此时光电门不起作用。
测量前设置采样次数（选择范围8~150）及采样间隔（选择范围50~100ms），经确认后仪器按设置自动测量，并将测量到的频率转换为速度。完成测量后仪器根据测量数据自动作V-t图，也可显示f-t图，测量数据，或存储实验数据与曲线供后续研究。图3表示了采样数60，采样间隔80ms时，对用两根弹簧拉着的小车（小车及支架上留有弹簧挂钩孔）所做水平阻尼振动的1次测量及显示实例。

为避免摩擦力对测量结果的影响，也可将导轨竖直放置，让垂直运动部件上下运动。在底座上装有超声发射器，在垂直运动部件上装有超声接收器作垂直运动测量，实验时随测量目的不同而需改变少量部件的安装位置，具体可见下节描述及图4，图5。

实验内容及步骤：
实验仪的预调节
实验仪开机后，首先要求输入室温，这是因为计算物体运动速度时要代入声速，而声速是温度的函数。
第2个界面要求对超声发生器的驱动频率进行调谐。调谐时将所用的发射器与接收器接入实验仪，2者相向放置，用键调节发生器驱动频率，并以接收器写谐振电流达到最大作为谐振的数据。在超声应用中，需要将发生器与接收器的频率匹配，并将驱动频率调到谐振频率，才能有效地发射与接收超声波。
验证多普勒效应并由测量数据计算声速
将水平运动超声发射/接收器及光电门、电磁铁按实验仪上的标示接入实验仪。调谐后，在实验仪的工作模式选择界面中选择“多普勒效应验证实验”，按确认键后进入测量界面。用键输入测量次数6，用键选择“开始测试”，再次按确认键使电磁铁释放，光电门与接收器处于工作准备状态。
将仪器按图2安置好，当光电门处于工作准备状态而小车以不同速度通过光电门后，显示屏会显示小车通过光电门时的平均速度与此时接收器接收到的平均频率，并可用键选择是否记录此次数据，按确认键后即可进入下一测试。
完成测量次数后，显示屏会显示f-V关系1组测量数据，若测量点成直线，符号（2）式描述的规律，即直观验证了多普勒效应。用键翻阅数据并记入表1中，用作图法或线性回归法计算f-V关系直线的斜率k，由k计算声速u并与声速的理论值比较，声速理论值由（米/秒）计算，t表示室温。

研究匀变速直线运动，验证牛顿第二运动定律
实验时仪器的安装如图4所示，质量为M的垂直运动部件与质量m的砝码托及砝码悬挂于滑轮的两端，测量前砝码托吸在电磁铁上，测量时电磁铁释放砝码，系统在外力作用下加速运动。运动系统的总质量为M+m，所受合外力（M+m）g（滑轮转动惯量与摩擦力忽略不计）。
根据牛顿第二定律，系统的加速度应为：
（4）
用天平称量垂直运动部件，砝码托及砝码质量，每次取不同质量的砝码放于砝码拖上，记录每次实验对应的m。
将垂直运动发射/接收器接入实验仪，在实验仪的工作模式选择界面上选择“频率调谐”调谐垂直运动发射/接收器的谐振频率，完成后回到工作模式选择界面，选择“变速运动测量实验”确认后进入测量设置界面。设置采样点总数8，采样步距50ms，用键选择“开始测试”，按确认键使电磁铁释放砝码托，同时实验仪按设置的参数自动采样。
采样结束后会以类似图3的界面显示V-t直线，用键选择“数据”，将显示的采样次数及相应速度记入表2中（为避免电磁铁剩磁的影响，第1组数据不记。tn为采样次数与采样步距的乘积。）由记录的t，V数据求的V-t直线的斜率即为此次实验的加速度a。
在结果显示界面中用键选择返回，确认后重新回到测量设置界面。改变砝码质量，按以上程序进行新的测量。
将表2得出的加速度a作纵轴，(M-m)/(M+m)作横轴作图，若为线性关系，符合（4）式描述的规律，即验证了牛顿第二定律，且直线的斜率应为重力加速度。

研究自由落体运动，求自由落体加速度
实验时仪器的安装如图5所示，将电磁铁移到导轨的上方，测量前垂直运动部件吸在电磁铁上，测量时垂直运动部件自由下落1段距离后被细线拉住。
在实验仪的工作模式选择界面中选择“变速运动测量实验”，设置采样点总数8，采样步骤50ms。选择“开始测试”，按确认键后电磁铁释放，接收器自由下落，实验仪按设置的参数自动采样。将测量数据记入表3中，由测量数据求得V-t直线的斜率即为重力加速度g。
为减小偶然误差，可作多次测量，将测量的平均值作为测量值，并将测量值与理论值比较，求百分误差。

研究简谐振动
当质量为m的物体受到大小与位移成正比，而方向指向平衡位置的力的作用时，若以物体的运动方向为x轴，其运动方程为：
（5）
由（5）式描述的运动称为简谐振动，当初始条件为t=0时，，，则方程（5）的解为：
（6）
将（6）式对时间求导，可得速度方程：
（7）
由（6）（7）式可见物体作简谐振动时，位移和速度都随时间周期变化，式中，为振动的角频率。
测量时仪器的安装类似于图5，将弹簧通过1段细线悬挂于电磁铁上方的挂钩孔中，垂直运动超声接收器的尾翼悬挂在弹簧上，若忽略空气阻力，根据胡克定律，作用力与位移成正比，悬挂在弹簧上的物体应作简谐振动，而（5）式中的k为弹簧的倔强系数。
实验时先称量垂直运动超声接收器的质量M，测量接收器悬挂上之后弹簧的伸长量，记入表4中，就可计算k及。
测量简谐振动时设置采样点总数150，采样步距100ms。
选择“开始测试”，将接收器从平衡位置下拉约20cm，松手让接收器自由振荡，同时按确认键，让实验仪按设置的参数自动采样，采样结束后会显示如（7）式描述的速度随时间变化关系。查阅数据，记录第1次速度达到最大时的采样次数N1MAX和第11次速度达到最大时的采样次数N1MAX，就可计算实际测量的运动周期T及角频率ω，并可计算ω0与ω的百分误差。

其它变速运动的测量
以上介绍了部分实验内容的测量方法和步骤，这些内容的测量结果可与理论比较，便于得出明确的结论，适合学生基础实验，也便于使用者对仪器的使用及性能有所了解。若让学生根据原理自行设计实验方案，也可用作综合实验。
与传统物理实验用光电门测量物体运动速度相比，用本仪器测量物体的运动具有更多的设置灵活性，测量快捷，即可根据显示的V-t图一目了然的定性了解所研究的运动的特征，又可查阅测量数据作进一步的定量分析。特别适合用于综合实验，让学生自主的对一些复杂的运动进行研究，对理论上难于定量的因素进行分析，并得出自己的结论（如研究摩擦力与运动速度的关系，或与摩擦介质的关系）。

⑥ 多普勒效应综合实验大学物理实验思考题

实验一 验证多普勒效应并由测量数据计算声速

让小车以不同速度通过光电门，仪器自动记录小车通过光电门时的平均运动速度及与之对应的平均接收频率。由仪器显示的f－V关系图可看出，若测量点成直线，符合（2）式描述的规律，即直观验证了多普勒效应。用作图法或线性回归法计算f－V直线的斜率k，由k计算声速u并与声速的理论值比较，计算其百分误差。

图2 多普勒效应验证实验及测量小车水平运动安装示意图

一．仪器安装

如图2所示。所有需固定的附件均安装在导轨上，并在两侧的安装槽上固定。调节水平超声传感发生器的高度，使其与超声接收器（已固定在小车上）在同一个平面上，再调整红外接收传感器高度和方向，使其与红外发射器（已固定在小车上）在同一轴线上。将组件电缆接入实验仪的对应接口上。安装完毕后，让电磁铁吸住小车，给小车上的传感器充电，第一次充电时间约6～8秒，充满后(仪器面板充电灯变绿色)可以持续使用4～5分钟。在充电时要注意，必须让小车上的充电板和电磁铁上的充电针接触良好。

【注意事项】

① 安装时要尽量保证红外接收器、小车上的红外发射器和超声接收器、超声发射器三者之间在同一轴线上，以保证信号传输良好；

② 安装时不可挤压连接电缆，以免导线折断；

③ 小车不使用时应立放，避免小车滚轮沾上污物，影响实验进行。

二．测量准备

1．实验仪开机后，首先要求输入室温。因为计算物体运动速度时要代入声速，而声速是温度的函数。利用 t u 将室温T值调到实际值，按“确认”。

2．第二个界面要求对超声发生器的驱动频率进行调谐。在超声应用中，需要将发生器与接收器的频率匹配，并将驱动频率调到谐振频率f0，这样接收器获得的信号幅度才最强，才能有效的发射与接收超声波。一般f0在40KHz左右。调谐好后，面板上的锁定灯将熄灭。

3．电流调至最大值后，按“确认”。本仪器所有操作，均要按“确认”键后，数据才被写入仪器。

【注意事项】

①调谐及实验进行时，须保证超声发生器和接收器之间无任何阻挡物；

②为保证使用安全，三芯电源线须可靠接地。

三．测量步骤

1．在液晶显示屏上，选中“多普勒效应验证实验”，并按“确认”；

2．利用 u 键修改测试总次数（选择范围5~10，一般选5次），按 ▼ ，选中“开始测试”；

3．准备好后，按“确认”，电磁铁释放，测试开始进行，仪器自动记录小车通过光电门时的平均运动速度及与之对应的平均接收频率；

改变小车的运动速度，可用以下两种方式：

a．砝码牵引：利用砝码的不同组合实现；

b．用手推动：沿水平方向对小车施以变力，使其通过光电门。

为便于操作，一般由小到大改变小车的运动速度。

4．每一次测试完成，都有“存入”或“重测”的提示，可根据实际情况选择，“确认”后回到测试状态，并显示测试总次数及已完成的测试次数；

5．改变砝码质量（砝码牵引方式），并退回小车让磁铁吸住，按“开始”，进行第二次测试；

6．完成设定的测量次数后，仪器自动存储数据，并显示f－V关系图及测量数据。

【注意事项】

小车速度不可太快，以防小车脱轨跌落损坏。

四．数据记录与处理

由f－V关系图可看出，若测量点成直线，符合（2）式描述的规律，即直观验证了多普勒效应。用 u 键选中“数据”，q 键翻阅数据并记入表1中，用作图法或线性回归法计算f－V关系直线的斜率k。公式（4）为线性回归法计算k值的公式，其中测量次数i＝5 ～ n，n≤10。
由k计算声速u = f0/k，并与声速的理论值比较，声速理论值由u0 = 331(1＋t/273)1/2 (米/秒)计算，t表示室温。测量数据的记录是仪器自动进行的。在测量完成后，只需在出现的显示界面上，用 u 键选中“数据”，q 键翻阅数据并记入表1中，然后按照上述公式计算出相关结果并填入表格。