Інформація для вчителів
Опис
Допплерівський радар
Ефект Доплера використовується:
- медицина: для визначення швидкості кровотоку за допомогою ультразвуку через тканини пацієнта.
- техніка: радар для вимірювання швидкості автомобіля.
- астрономія: для вимірювання швидкості обертання зірок і галактик.
Додаткова інформація для вчителів (1/3)
попередні знання
Цей метод не складний, оскільки являє собою процедуру безконтактного визначення швидкості, яка не потребує жодних знань про частоту випромінюваного сигналу.
Науковий принцип
У підготовчому експерименті ефект Доплера, відомий з повсякденного життя, пригадується учнями якісно на основі частоти звуку, тоді як основний експеримент зосереджується на випадку гармонійно осцилюючого джерела звуку. Спочатку вимірюється частота випромінюваного сигналу в стані спокою. Потім за допомогою програмного забезпечення визначається зсув частоти, спричинений коливанням допплерівського передавача. Після цього на основі експериментальних значень розраховується швидкість руху джерела звуку. Потім це обчислене значення порівнюється з теоретичним показником.
Додаткова інформація для вчителів (2/3)
Мета навчання
Вивчення принципу ефекту Доплера через зміну спостережуваної частоти, коли джерело рухається, а спостерігач перебуває у стані спокою.
Завдання
- Зсув частоти в діапазоні чутності при швидкому переміщенні доплерівського передавача. (Ефект спостерігається якісніше, коли експеримент виконують двоє учнів).
Додаткова інформація для вчителів (3/3)
Завдання
2 Визначення зсуву частоти сигналу за допомогою програмного забезпечення.
Висока частота допплерівського передавача 19 кГц була обрана тому, що
- вона забезпечує досягнення максимальної частотної роздільної здатності,
- ця частота не є чутною і, отже, не є дратівливою для людини, і
- вона може бути надійно оброблена стандартними звуковими приймачами.
Частота доплерівського джерела електронно стабілізована, щоб бути постійною. Помітне зниження частоти (понад 10 Гц за 3 хвилини) можна пояснити низьким рівнем напруги (менше 6 В). Будь ласка, замініть елемент живлення джерела доплерівського випромінювання.
Частота доплерівського джерела лежить у діапазоні 19 кГц ± 10% (відхилення відбувається через допуски в електронних компонентах). Тому зазначені в таблиці вимірювань значення слід розглядати як приклади.
Правила техніки безпеки
Для цього експерименту застосовуються загальні інструкції щодо безпечного проведення експериментів під час викладання природничих наук.
Інформація для учнів
Мотивація
Машина швидкої допомоги
Коли поруч проїжджає швидка допомога, то сприйманий (виміряний) сигнал сирени стає глибшим. Це означає, що частоти звуку, який м сприймаємо, стають нижчими. Така зміна частоти і, відповідно, довжини хвилі випромінювання, що сприймається спостерігачем (приймачем), коли джерело і спостерігач рухаються відносно одне одного, називається ефектом Доплера. Ефект Доплера використовується в багатьох технічних додатках, наприклад, у дорожніх радарах-пастках або для визначення швидкості розширення Всесвіту.
Завдання
- Опишіть, що Ви чуєте, коли доплерівський передавач видає звук із частотою 4,6 кГц і дуже швидко переміщується вперед-назад.
- Визначте швидкість пружинного маятника, що коливається, за допомогою ефекту Доплера:
- Нехай доплерівський передавач із сигналом 19 кГц гармонійно коливається над мікрофоном за допомогою пружини.
- Проаналізуйте сигнал, записаний мікрофоном, за допомогою комп'ютера. Спостерігайте за ефектом Доплера та визначте максимальну швидкість маятника.
Матеріал
| Позиція | Матеріал | Пункт №. | Кількість | |
|---|---|---|---|---|
| 1 |
| 14441-61 | 1 | |
| 2 |
| 13289-30 | 1 | |
| 3 |
| 02220-00 | 1 | |
| 4 | Вимірювальна стрічка (рулетка), l = 2 м | 09936-00 | 1 |
Додаткове обладнання
| Позиція | Матеріал | Кількість |
|---|---|---|
| 1 | Мікрофон | 1 |
| 2 | ПК | 1 |
Виконання роботи (1/7)
Частина 1: Зсув частоти в діапазоні чутності при швидкому переміщенні доплерівського передавача.
Виберіть частоту 4,6 кГц. Кілька разів швидко підносьте доплерівський передавач у напрямку до Вашого вуха чи обличчя (або вуха чи обличчя Вашого однокласника) і віддаляйте його від них. Запішіть у Протокол, як Ви сприймаєте частоту сигналу.
Виконання роботи (2/7)
Частина 2: Визначення зсуву частоти сигналу 19 кГц за допомогою програмного забезпечення
Правильно під'єднайте мікрофон до комп'ютера.
Відкрийте налаштування звуку на ПК. Встановіть гучність запису звуку мікрофона на максимум. Запустіть програму measure Акустика (measure Acoustics).
Відкрийте експеримент "3.7а Ефект Доплера".
Доплерівське джерело і мікрофон
Виконання роботи (3/7)
Підказка 1:
Відкрийте огляд експерименту (меню "Файл" → "Відкрити експеримент" або виберіть "Відкрити експеримент" на панелі меню). Відкрийте папку "3 Застосування в медицині, музиці та повсякденному житті" і виберіть експеримент "3.7a Ефект Доплера, варіант 1".
- Виберіть частоту 19 кГц на допплерівському передавачі та увімкніть його.
- Занотуйте приблизні значення максимуму частоти переданого сигналу у звіті в розділі "Результат - Спостереження 2".
Підказка 2:
У відповідному вікні діаграми виберіть лупу "Масштабування". Натисніть і, утримуючи кнопку миші, перетягніть прямокутник із верхнього лівого кута в нижній правий кут.
Виконання роботи (4/7)
Підказка 3:
Використовуйте перехрестя " Позначка" на сірій смузі у вікні діаграми, щоб визначити значення x (тут: частота в Гц) і значення y (тут: відносна амплітуда звукового тиску в %) у місці розташування перехрестя. Прочитайте ці два значення у рядку стану внизу екрана.
Аналіз частоти
Виконання роботи (5/7)
Частоту переданого сигналу також можна прочитати у вікні "Аналіз частоти" (частота =... Гц)
- Тепер встановіть діапазон частот для вимірювання у вікні "Аналіз частоти". Інтервал має охоплювати діапазон приблизно 1000-2000 Гц біля максимальної частоти переданого сигналу. (Приклад: Вимірювання максимальної частоти сигналу дало приблизно 18 500 Гц. Встановіть мінімальне значення частоти на 18 000 Гц і максимальне значення частоти на 19 000 Гц).
- Виконайте експеримент.
Частотний спектр сигналу, що приймається
Виконання роботи (6/7)
Експериментальна установка
- Учень 1: Утримуючи пружину за один кінець, прикріпіть доплерівський передавач до іншого кінця. Пружина розтягується до положення спокою.
- Покладіть мікрофон на підлогу безпосередньо під допплерівським датчиком. Спрямуйте мікрофон вгору до передавача.
- Учень 2: Тримайте вимірювальну рулетку так, щоб вона приблизно дорівнювала подовженню пружини. Нуль шкали має розташовуватися на нижньому кінці доплерівського передавача. Рулетка і пружина трохи зміщені так, щоб доплерівський передавач (випромінювач) можна було відхилити, не торкаючись рулетки.
Виконання роботи (7/7)
- Активуйте частотний аналіз, вибравши "Старт".
- Учень 2: Потягніть доплерівський передавач на 20 см вниз до підлоги або мікрофона і відпустіть його.
- Опишіть, який вигляд має крива у вікні діаграми "Спектр сигналу на аудіовході (мікрофон)" і як вона змінилася після кількох коливань.
- Зупиніть вимірювання частоти після кількох коливань, вибравши "Зупинити". Запишіть максимальне ( і мінімальне () значення частоти, до яких зсувається максимум кривої в Протоколі.
- Зверніть увагу і запишіть, як максимальне і мінімальне значення частоти пов'язане з прогином пружини.
- Повторіть ці вимірювання кілька разів.
Протокол
Завдання 1
Вставте пропущені слова в тексті: Порівняно з частотою джерела, у разі коли допплерівський випромінювач наближається до слухача, висота звуку стає ____, а при віддаленні від нього - ____.
Завдання 2
Запишіть максимальне/мінімальне значення частоти, до якої зміщується максимум кривої після всього лише кількох коливань.
| Вимірювання 1 | ||||
| Вимірювання 2 | ||||
| Вимірювання 3 | ||||
| Вимірювання 4 | ||||
| Середнє значення |
Завдання 3
Вставте пропущені слова: На основі формули f' = f_{0} c/c - v \; якщо джерело рухається зі швидкістю звуку, то допплерівське рівняння передбачає миттєву ____ частоту перед джерелом, яку сприймає спостерігач, і, отже, довжина хвилі дорівнює ____.
ефект Доплера