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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。 |
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