項目由來

在物理教學中，多普勒效應多用聲波、光波演示，教具復雜。而利用水波演示多普勒效應，簡便實用。我受輸液滴管啟發(fā)，研究設計了水滴激發(fā)式多普勒效應演示器，通過紅光、藍光光源使水波波紋帶顏色，用輸液管調節(jié)水滴，利用水滴代替機械振子，激發(fā)水波作為波源。移動水滴激發(fā)器，可以觀察波形變化。同時還可以演示水波的干涉、衍射現(xiàn)象。

研制過程

初期設計是利用滴管水波槽演示水波干涉、衍射現(xiàn)象，由于演示效果差，后加入紅藍燈頻閃，使水波帶顏色。在移動波源時，發(fā)現(xiàn)用這個方法演示多普勒效應更有意義。我在研制過程中采用了以下科學方法：

一是采用逆向思維。改變靠電子振子產生水波的傳統(tǒng)做法，直接利用水滴產生水波。二是利用側向思維。為保證演示效果，采用紅藍頻閃燈，頻閃與波紋同頻，使波紋彩色立體。三是組合發(fā)明。演示器既可以通過水波波紋變化演示多普勒效應，又可以演示干涉、衍射現(xiàn)象。

演示器簡介

水滴激發(fā)器

我們用輸液管制成水滴激發(fā)器，把激發(fā)器掛在鐵架臺上，調節(jié)激發(fā)器滴水速度，利用水滴代替?zhèn)鹘y(tǒng)機械振子，激發(fā)水波作為波源。利用水滴開始下落時距離水面的高度控制振幅。同時，設計相應電路，用小鐵片作為振子，與頻閃燈同頻振動。

頻閃器

在水波槽上方放置藍色發(fā)光二極管和紅色發(fā)光二極管，用高亮度紅藍燈頻閃，調整電路，使閃光與遮光時間比設為1：5，調整波形振幅與燈光閃頻同步，使波形看起來清晰穩(wěn)定，見圖l。

消波水槽

水槽是長48cm、寬48cm、高5cm的正方形有機板槽，四周有斜面。底層鋪有黑色絨布，上方墊有白色有機板，可有效消除波的反射回光，使彩色波紋更加清晰。槽中還設置了障屏，可以演示波的反射現(xiàn)象、衍射現(xiàn)象和干涉現(xiàn)象。

電動軌道

電源部分：采用市場上現(xiàn)有的開關電源，將市電交流220V電壓轉換為直流24V電壓，為整個系統(tǒng)提供電源。

步進電機控制驅動器：此部件起控制和驅動步進電機的作用?？刂破鬏敵龅目刂泼}沖速度決定了步進電機的轉速，可通過調節(jié)脈沖速度電位器實現(xiàn)輸出脈沖速度的調節(jié)，從而實現(xiàn)對電機轉速的調節(jié)。通過對控制器方向控制端提供24V直流電（通過方向控制按鈕實現(xiàn)）對步進電機進行方向調節(jié)。

步進電機和絲杠組件：步進電機帶動絲杠轉動，絲杠通過與其配合的絲杠螺母（位于運動平臺中）將轉動轉換為直線運動。這種組合易于控制，并且可以精確地控制運動的速度和距離。絲杠螺母機構的直線運動速度與步進電機轉速成正比，其運動方向由電機的正、反向轉動直接控制。

實驗演示

在水槽中加入水，調整水滴激發(fā)器高度，調節(jié)滴水速度；從水面上方放置紅藍燈，接通電源，調節(jié)頻閃光源頻率，直至可以看到清晰穩(wěn)定水波。

激發(fā)器靜止時，可以看到波形是同心圓，可以觀察到頻率與波形線條疏密關系：頻率快，波長短，波形密，傳播速度快；頻率慢，波長長，波形疏，傳播速度慢。

移動水滴激發(fā)器，可以看到多普勒效應圖樣。向靠近觀察者的方向移動，波形密；向遠離觀察者的方向移動，波形疏。移動速度快，波形變化大，波紋密；移動速度慢，波形變化小，波形疏。

如圖2所示，當波源移動的速率小于水波傳遞的速率時，觀察者1看到的頻率變高，觀察者2看到的頻率變低；若是波源移動的速率等于水波傳遞的速率時，則會產生音障，觀察者1看到的是頻率變低，而觀察者2則會“聽”到音爆現(xiàn)象；當波源移動的速度大于波本身的速度時，會形成圓錐形的波前，所有的波同時抵達最前方的波前上，于是波相疊加，而形成震波。觀察者2看到頻率變低，而觀察者1先看到波源移走，隨后才“聽”到音爆。

用雙水滴作為雙振源，可以看到水波干涉現(xiàn)象。用單水滴作為單振源，放置2個或3個障屏可以演示衍射現(xiàn)象。

作品創(chuàng)新點

用輸液管調節(jié)水滴，利用水滴代替機械振子，激發(fā)水波作為波源，利用水滴下落高度控制振幅，移動水滴激發(fā)器，可以方便地看到多普勒效應圖像。

傳統(tǒng)水波演示的是水波投影，是黑白條紋；本裝置演示的是直觀的水波，是立體波形。

傳統(tǒng)水波演示是透明的，只能看出水面反射光強弱，對比度不大；我們用高亮度藍色或紅色發(fā)光二極管從水面上方照射，使水波帶顏色，增強立體感。使波輪廓增強，增加視覺清晰度。用紅藍燈頻閃，占空時間比1：5，使波紋穩(wěn)定不動。

利用消波水槽，四邊斜面鋪有布料，解決消波問題，有效解決波的反射回光，不會干擾波形；底層放置白色有機板，增加紅藍波的清晰度。

該項目獲得第30屆全國青少年科技創(chuàng)新大賽創(chuàng)新成果競賽項目中學組物理學一等獎。

專家評語

該項目巧妙地利用水滴激發(fā)，通過移動水滴，觀察水滴引起的水波條紋變化演示多普勒效應，同時，加入攝像頭模擬波源與觀察者之間的相對運動，直觀又簡單。如能提高觀測時的對比度與清晰度，使之更為明顯易于觀察就更好了。