Будем считать uист и uпр положительными, когда источник и приемник сближаются и отрицательными, когда удаляются.

МЕХАНИКА

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 19

АКУСТИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ ДОПЛЕРА

(с компьютерным интерфейсом)

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ

2011 г.

Цель работы:исследование зависимости сдвига частоты звука от скорости приемника относительно источника (акустический эффект Доплера).

Темы для изучения

Распространение звуковых волн, эффект Доплера.

Описание установки

Пояснение к схеме:

1.кар;

2.источник звукового сигнала (излучатель);

3.световой барьер с оптической осью;

4.пластинка;

5.приёмник звукового сигнала (микрофон);

6.генератор звукового сигнала;

7.трек;

8.устройство согласования с компьютером в состав которого входит аналого-цифровой преобразователь.

Краткая теория

Пусть в упругой среде на некотором расстоянии от источника волн располагается воспринимающее колебания среды устройство (приемник). Опыты показывают, что измеренная приемником частота n совпадает с частотой nо колебаний источника волн только в том случае, когда источник и приемник неподвижны относительно среды. Во всех остальных случаях эти частоты не равны. Например, известно, что при приближении к неподвижному наблюдателю звуковой сигнал поезда кажется более высоким, а при удалении от наблюдателя – более низким, чем тон сигнала того же поезда стоящего на станции. Это явление впервые было обосновано теоретически в 1842 году австрийским физиком Доплером и названо эффектом Доплера.

Обозначим: u – скорость распространения волны в среде;

uист – скорость источника;

uпр – скорость приемника.

Будем считать uист и uпр положительными, когда источник и приемник сближаются и отрицательными, когда удаляются.

Пусть, например, наш приемник регистрирует число гребней волны проходящих мимо него. Рассмотрим частные случаи.

1. Источник и приёмник покоятся относительно среды, т.е. uист = uпр = 0.

Длина волны:

Распространяясь в среде, волна достигнет приемника и вызовет колебания его звукочувствительного элемента с частотой:

Следовательно, частота v звука, которую зарегистрирует приемник, равна частоте nо, с которой звуковая волна излучается источником.

2. Приемник приближается к источнику, а источник покоится, т.е.uпр0, uист=0.

Скорость распространения волны относительно приемника равна u+uпр. Так как длина волны при этом не меняется, то

т. е. частота колебаний, воспринимаемых приемником, враз больше частоты колебаний источника.

3. Источник приближается к приемнику, а приемник покоится, т. е. uист0, uпр = 0.

Волна, излученная источником, пройдет расстояние:

За это же время источник пройдет в направлении волны расстояние uист ?T (рис.), т.е. длина волны в направлении движения сократится и станет равной, тогда:

т. е. частота n колебаний, воспринимаемых приемником, увеличится враз.

В случаях 2 и 3, если uист

4. Источник и приемник движутся относительно друг друга.

Используя результаты, полученные для случаев 2 и 3, можно записать выражение для частоты колебаний, воспринимаемых источником:

(10.1)

причем верхний знак берется, если при движении источника или приёмника происходит их сближение, нижний знак — в случае их взаимного удаления.

Эффект Допплера широко используется в различных областях науки и техники. Он наблюдается для волн различной природы – звуковых, электромагнитных, световых. Изменение частоты сигнала позволяет определять так называемую лучевую скорость объекта, т.е. скорость вдоль прямой, соединяющей приемник и объект. Так, например, по изменению частоты сигнала радиолокатора при отражении от какой-либо цели можно найти лучевую скорость этой цели и направление движения (nno -то приближается, n

На основании доплеровского смещения линий поглощения в спектрах звезд и туманностей определяют их лучевую скорость по отношению к Земле. Для большинства галактик n

Вращение источника света вызывает доплеровское уширение спектральных линий, т.к. разные точки такого источника обладают различными лучевыми скоростями. Следовательно, с помощью эффекта Доплера можно определять период вращение небесных тел вокруг своей оси.

Хаотическое тепловое движение атомов светящегося газа также вызывает доплеровское уширение линий в его спектре, которое возрастает с увеличением теплового движения, т.е. с повышением температуры. По величине уширения спектральных линий определяют тепловые скорости атомов и ионов, и температуру газа.

Порядок выполнения работы

Запустите c рабочего стола программу «measure»

I.Определение скорости движения кара:

1.нажмите на иконку «новое задание» (можно через меню «файл-новое задание»);

2.установите исходные параметры измерения, как показано на рисунках:

§вкладка «Таймер»:

§вкладка «Счётчик»:

§вкладка «Частотомер»:

3.перевести на вкладку «Таймер» и дальнейшие измерения скорости кара вести в этом положении;

4.установите световой барьер так, чтобы измерение скорости кара происходило при его равномерном движении (» середина трека), пластинка длиной 10 см должна пересекать оптическую ось светового барьера;

5.установить кар на трек в крайнее левое положение (или крайнее правое);

6.переключатель скорости движения кара установите на min;

7.нажимаем на выбранной закладке «Таймер» — «Далее»;

8.включаем кар и фиксируем значение скорости прохождения пластинки, отображённое на компьютере, как показано на рисунке;

9.измените направление движения кара и повторите измерения скорости в двух направлениях ещё 2 раза;

10. результаты скорости движения кара заносим в таблицу №1:

Таблица 1.

№ опыта Скорость				uср.,м/с
При движении вправо, м/с
При движении влево, м/с

11. на компьютере нажимаем «Остановить» и программа выводит график изменения скорости.

II.Определение частоты колебаний приёмника:

1.включите генератор звукового сигнала (для получения стабильного сигнала генератор должен «прогреться» в течение не менее 10 минут) и проверьте правильность установленных параметров звукового генератора:

1. множитель частоты – в положении 104;

2. частота сигнала;

3. переключатель формы импульса – в положении «~»;

4. регулировка амплитуды выходного сигнала – в положении близко к min.

2.включите микрофон, нажав на нём кнопку 3 «ON» ОДИН РАЗ (при этом красная лампочка должна периодически мигать):

1 – переключатель формы сигнала (прямоугольный импульс);

2 – регулировка амплитуды входного сигнала – в положении близко к min;

3 – кнопка включения-выключения микрофона.

3.нажмите на иконку «новое задание» и установите параметры для измерения частоты на вкладке «Счётчик» в соответствии с рисунком 3.

4.на звуковом генераторе с помощью ручки 1 и 2 пункта II.1 установите частоту колебаний в интервале от 16000 Гц до 20000 Гц;

5.поместите кар вблизи микрофона;

6.нажмите «Далее» и зафиксируйте 5 – 6 значений частоты покоя источника звукового сигнала no (ВАЖНО: при измерении необходимо исключить посторонний шум!!!);

7.назначьте новое задание, на вкладке «Счётчик» исходные параметры должны быть аналогичны пункту II.3. Нажмите «Далее»;

8.поместите кар в начало трека и включите его, чтобы он двигался к микрофону;

9.когда скорость кара станет примерно постоянной, измерьте частоту звуковой волны, нажав мышкой «Начать»;

10. остановите кар, поставив переключатель направления движения в среднее положение;

11. изменив направления движения кара, повторите пункт II.6 при его движении от микрофона;

12. проведите ещё 3 – 4 измерения частоты колебаний.

13. результаты экспериментальных значений частоты заносим в таблицу №2;

Таблица 2.

Величина № опыта	uср.,м/с	Движение кара кприёмнику.	Движение кара отприёмника.
nэксп., Гц	nэкспср., Гц	nрасч.,Гц	nэксп., Гц	nэкспср., Гц	nрасч.,Гц
	uср.1


	uср.2


	uср.3

14. Повторите пункты с I.1 по II.12 ещё с двумя значениями скорости кара, поставив переключатель в среднее и максимальное положение.

15. После завершения, не забудьте выключить генератор звукового сигнала и компьютер.

Обработка результатов измерений проводится следующим образом:

1)рассчитать среднее значение частоты звукового сигнала полученного экспериментально;

2)вычислить расчётную частоту звукового сигнала воспринимаемую приёмником по формуле:

соответственно при сближении и удалении источника с приемником, принимая скорость распространения звуковой волны в воздухе 330 м/с;

3)найти ошибку измерений Dn;

4)построить график зависимости n = f(u) с указанием на графике частоты покоя nо;

5)результат измерений представить в виде:.

Контрольные вопросы

1.Что такое звук?

2.В чём заключается сущность эффекта Доплера?

3.Приведите примеры применения эффекта Доплера.

4.От каких параметров зависит частота звука воспринимаемая приёмником?

Будем считать uист и uпр положительными, когда источник и приемник сближаются и отрицательными, когда удаляются.

Статьи к прочтению:

Учим цифры. Учимся считать от 1 до 20 с Ежиком Жекой. Развивающие мультфильмы для детей.

Похожие статьи: