用多普勒效應(yīng)實(shí)驗(yàn)

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1、用多普勒效應(yīng)研究物體運(yùn)動的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)班級：機(jī)械設(shè)計(jì)104學(xué)號：0000000000姓名：柳斌聯(lián)系方式：18761111111實(shí)驗(yàn)時(shí)間：2011年11月15日下午5、6、7、8節(jié)課摘要：木實(shí)驗(yàn)是以多普勒效應(yīng)原理為基礎(chǔ)。當(dāng)波源和接收器之間有相對運(yùn)動時(shí)，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)。本實(shí)驗(yàn)既可研究超聲波的多普勒效應(yīng)，又可利用多普勒效應(yīng)將超聲頭作為運(yùn)動傳感器，研究物體的運(yùn)動狀態(tài)。關(guān)鍵詞：多普勒效應(yīng)牛頓第二定律機(jī)械能守恒重力加速度一、引言：多普勒在我們生活中應(yīng)用很廣，比如船只配備的多普勒聲納，可以用來精確測量速度和計(jì)程等等。本實(shí)驗(yàn)利用我們上次學(xué)過的知識，利用

2、多普勒效應(yīng)將超聲波探頭作為涌動傳感器，研究物體的運(yùn)動狀態(tài)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)提供的多普勒實(shí)驗(yàn)設(shè)備，來設(shè)計(jì)求重力加速度、研究物體勻加速直線運(yùn)動，驗(yàn)證牛頓第二定律方案，完成物體運(yùn)動的研究任務(wù)。從本實(shí)驗(yàn)中，能鍛煉我們的動手能力和知識結(jié)構(gòu)的相關(guān)性。二、實(shí)驗(yàn)任務(wù)利用多普勒效應(yīng)測量物體運(yùn)動過程屮多個(gè)時(shí)間點(diǎn)的速度，查看V—t關(guān)系曲線，或調(diào)閱有關(guān)測量數(shù)據(jù)，即可得出物體在運(yùn)動過程中的速度變化情況，可研究：1、勻加速直線運(yùn)動，測量力、質(zhì)量與加速度之間的關(guān)系，驗(yàn)證牛頓第二定律。2、自由落體運(yùn)動，并由V—t關(guān)系直線的斜率求重力加速度。3、簡諧振動，可測量簡諧振動的周期等參數(shù)，并與理論值比較，驗(yàn)證機(jī)械能守恒定律。三、

3、實(shí)驗(yàn)儀器整套儀器由實(shí)驗(yàn)儀，超聲發(fā)射/接收器，導(dǎo)軌，運(yùn)動小車，支架，光電門，電磁鐵，彈簧，滑輪，砝碼等組成。四、實(shí)驗(yàn)原理1、研宄勻變速直線運(yùn)動，驗(yàn)證牛頓第二運(yùn)動定律，并求重力加速度質(zhì)為M的接收器組件，與質(zhì)S為m的破碼托及砝碼懸掛于滑輪的兩端，運(yùn)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(jì))。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)(1)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1中。巾記錄的t,V數(shù)裾求得V—t直線的斜率即為此次實(shí)驗(yàn)的加速度a。將表1得出的加速度a作縱軸，(M一m)/(M+m)作橫軸作圖，若為

4、線性關(guān)系，符合(1)式描述的規(guī)律，即驗(yàn)證了牛頓第二定律，且直線的斜率應(yīng)為重力加速度。2、研宄簡諧振動當(dāng)質(zhì)量為m的物體受到大小與位移成正比，而方向指向平衡位置的力的作用時(shí)，若以物體的運(yùn)動方向?yàn)閤軸，其運(yùn)動方程為：山1(2)由(5)式描述的運(yùn)動稱為簡諧振動，當(dāng)初始條件為t=0時(shí)，X=_A)，V=dx/dt=Q，則方程(5)的解為:將（6）式對時(shí)間求導(dǎo)，W得速度方程:K=sina>0Z⑷由（3）（4）式可見物體作簡諧振動時(shí)，位移和速度都隨時(shí)間周期變化，式中ty0=（々/zw）,為振動的角頻率。測量時(shí)將彈簧通過1段細(xì)線懸掛于電磁鐵上方的掛鉤孔中，垂直運(yùn)動超聲接收器的尾翼懸掛在彈簧上，若忽略

5、空氣阻力，根據(jù)胡克定律，作用力與位移成正比，懸掛在彈簧上的物體應(yīng)作簡諧振動，而（2）式中的k為彈簧的倔強(qiáng)系數(shù)。實(shí)驗(yàn)時(shí)先稱量垂直運(yùn)動超聲接收器的質(zhì)量M,測量接收器懸掛上之后彈簧的伸長量&記入表2屮，就可計(jì)算k及若忽略空氣阻力，則根據(jù)實(shí)驗(yàn)得到第二次以及第十一次速度達(dá)到最大時(shí)的速度，根據(jù)￡,=-mv2,計(jì)算兩次動能的大小，看是否相等，來證明機(jī)械能守恒定律。2五、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1、儀器安裝如左圖所示，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。2、用天平稱量接收器組件的質(zhì)量M,砝碼托及破碼質(zhì)量，每次取不同質(zhì)量的破碼放于破碼托上，記錄每次實(shí)驗(yàn)對應(yīng)的3、由于超聲發(fā)

6、生器和接收器己經(jīng)改變了，閃此需要對超聲發(fā)生器的驅(qū)動頻率重新調(diào)諧。4、在液晶顯示屏上，用▼選屮“變速運(yùn)動測量實(shí)驗(yàn)”，并按“確認(rèn)”;5、利用?鍵修改測量點(diǎn)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）,選屮“開始測試”；6、按“確認(rèn)”后，磁鐵釋放，接收器組件拉動砝碼作垂直方向的運(yùn)動。測S完成后，顯示屏上出現(xiàn)測S結(jié)果。7、在結(jié)果顯示界面中用?鍵選擇“返回”，“確認(rèn)”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(jìn)行新的測量。8、測量簡諧振動時(shí)設(shè)置采樣點(diǎn)總數(shù)150,采樣步距50ms。選擇“開始測試”，將接收器從平衡位置下拉約20cm，松手讓接

7、收器自巾振蕩，同時(shí)按確認(rèn)鍵，讓實(shí)驗(yàn)儀按設(shè)罝的參數(shù)自動采樣，采樣結(jié)束后會顯示如（4）式描述的速度隨時(shí)間變化關(guān)系。查閱數(shù)據(jù)，記錄第1次速度達(dá)到最大時(shí)的采樣次數(shù)N1MAX和第4次（狀態(tài)相同）速度達(dá)到最大時(shí)的采樣次數(shù)N4MAX，就可計(jì)算實(shí)際測量的運(yùn)動周期T及角頻率o,并可計(jì)算oO與o的百分誤差。六、數(shù)據(jù)處理和分析表一勻變速直線運(yùn)動的測量-2步距：50msM=7.23x10(kg)勝觀2345678加速度a(m/s2m(kg)M—niM+nit=0.OFifi0.050.100