圖1 實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景

1 引言

居家抗疫的日子實(shí)在無趣，除了遵照學(xué)校課表按時(shí)開播網(wǎng)課之外，就是擺弄手機(jī)，打發(fā)時(shí)間。

智能手機(jī)是一個(gè)移動(dòng)的智能終端，里面搭載有各式各樣的傳感器，只要設(shè)計(jì)合理，巧妙運(yùn)用，智能手機(jī)就是一個(gè)隨身攜帶的科學(xué)探究實(shí)驗(yàn)室。

2 多普勒效應(yīng)現(xiàn)象的演示原理

微主就是在打發(fā)時(shí)間的過程中，不斷地?fù)v鼓手機(jī)里面安裝的幾十款手機(jī)傳感器APP。當(dāng)搗鼓到音頻發(fā)生器和吉他調(diào)音器的時(shí)候，忽然有了用吉他調(diào)音器測(cè)定音頻發(fā)生器所發(fā)聲音頻率的想法，因?yàn)閮烧咭坏┐嬖谙鄬?duì)運(yùn)動(dòng)，接收值與發(fā)射值之間將會(huì)存在偏差，這就是開普勒效應(yīng)導(dǎo)致的頻移。

在鐵路旁邊，注意聽火車發(fā)出的汽笛聲，就會(huì)發(fā)現(xiàn)：火車駛來的過程中汽笛聲比較高亢，火車駛離的過程中汽笛聲比較低沉。

3 多普勒效應(yīng)實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)備和調(diào)試

3.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

微主在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，使用了三部手機(jī)，第一部手機(jī)作為聲音發(fā)射機(jī)，第二部手機(jī)作為聲音接收機(jī)，第三部手機(jī)作為錄像拍照機(jī)。當(dāng)前手機(jī)的更新?lián)Q代很快，一個(gè)普通的三口之家，被淘汰但還能使用的智能手機(jī)一般不少于三五部。

真正的實(shí)驗(yàn)只需要兩部手機(jī)即可。

3.2 設(shè)置信號(hào)發(fā)生器

在智能手機(jī)A中運(yùn)行音頻發(fā)生器Frequency Sound Generator，讓手機(jī)發(fā)出1000Hz的蜂鳴音。

圖2 音頻發(fā)生器

值得說明的是，這款非常好用的音頻發(fā)生器APP是浙江師范大學(xué)鄭圓成老師于2018年向微主推薦的，同時(shí)還向焦作市創(chuàng)客教育名師工作室贈(zèng)送了一部配套的音響。在此謝謝鄭老師。

3.3 設(shè)置信號(hào)接收器

在智能手機(jī)B中運(yùn)行吉他調(diào)音器gStrings，識(shí)別并讀取智能手機(jī)A發(fā)出的1000Hz的蜂鳴音。

圖3 吉他調(diào)音器

如此一來，智能手機(jī)A就是一臺(tái)1000Hz的音頻發(fā)生器，智能手機(jī)B就是一臺(tái)音頻接收測(cè)量器。

4 多普勒效應(yīng)實(shí)驗(yàn)觀察

將智能手機(jī)A、B并排放置在桌面上，調(diào)節(jié)信號(hào)發(fā)生器和信號(hào)接收器都處于工作狀態(tài)。

此刻會(huì)發(fā)現(xiàn)，信號(hào)發(fā)生器發(fā)射的頻率是1000Hz，信號(hào)接收器接收到的頻率是1000Hz。因?yàn)閮烧咛幱谙鄬?duì)靜止的狀態(tài)，沒有發(fā)生多普勒效應(yīng)，不存在頻移現(xiàn)象。

4.1 觀察者靜止 聲源運(yùn)動(dòng)

圖4 聲源移動(dòng) 觀察者靜止

這時(shí)，手持信號(hào)發(fā)生器遠(yuǎn)離或靠近信號(hào)接收器，會(huì)看到信號(hào)接收器的示數(shù)在發(fā)生變化，即

聲源與觀察者相互遠(yuǎn)離時(shí)，觀察者接收到的聲音頻率小于聲源發(fā)出的頻率；聲源與觀察者相互靠近時(shí)，觀察者接收到的聲音頻率大于聲源發(fā)出的頻率。

視頻1 聲源移動(dòng) 觀察者靜止

如果聲源靜止，觀察者運(yùn)動(dòng)，看到的現(xiàn)象與前面一致。

4.2 觀察者靜止 聲源轉(zhuǎn)動(dòng)

用絲帶將聲音發(fā)生器豎直懸掛，當(dāng)聲音發(fā)生器旋轉(zhuǎn)起來的時(shí)候，會(huì)看到聲音接收器的示數(shù)在發(fā)生忽大忽小的周期性變化。

圖5 聲源旋轉(zhuǎn)，觀察者靜止

視頻2 聲源旋轉(zhuǎn) 觀察者靜止

4.3 實(shí)驗(yàn)拓展

可以嘗試各式各樣的操作方法，只要聲波發(fā)射器和聲波接收器之間存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)，就能觀察到多普勒效應(yīng)的發(fā)生。

5 心得

不管搗鼓什么東西，只要心里面時(shí)刻想著教學(xué)，時(shí)刻想著學(xué)生，都能將這東西與教學(xué)、與學(xué)生聯(lián)系起來。一位沉醉于教學(xué)研究的物理教師，無論是一個(gè)飲料瓶，還是一根干樹枝，都是十分趁手的實(shí)驗(yàn)用品。

在武俠小說《笑傲江湖》中，在獨(dú)孤求敗的墓志銘中，紅色部分可以作為上述觀點(diǎn)的佐證：

獨(dú)孤求敗 墓志銘

縱橫江湖三十余載，殺盡仇寇，敗盡英雄，天下更無抗手，無可柰何，惟隱居深谷，以雕為友。嗚呼，生平求一敗而不可得，誠寂寥難堪也。 

凌厲剛猛，無堅(jiān)不摧，弱冠前以之與河朔群雄爭(zhēng)鋒。 

紫薇軟劍，三十歲前所用，誤傷義士不祥，乃棄之深谷。重劍無鋒，大巧不工。四十歲前恃之橫行天下。 四十歲后，不滯于物，草木竹石均可為劍。自此精修，漸進(jìn)至無劍勝有劍之境。 

劍魔獨(dú)孤求敗既無敵于天下，乃埋劍于斯。嗚呼！群雄束手，長劍空利，不亦悲夫！

——笑傲江湖

| 創(chuàng)客焦作 | 

河南創(chuàng)客焦作是焦作市創(chuàng)客教育名師工作室的微信公眾平臺(tái)，以創(chuàng)客教育為主要研究方向，分享創(chuàng)客案例，講解創(chuàng)新方法，啟迪創(chuàng)意設(shè)計(jì)，開展科學(xué)探究，組織社會(huì)調(diào)查，指導(dǎo)論文寫作，參加創(chuàng)客大賽和專利申請(qǐng)，發(fā)現(xiàn)、培養(yǎng)和成就一批具有創(chuàng)新潛質(zhì)的學(xué)生。

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