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高中物理普勒效應

教育 更新时间:2024-08-02 19:32:12

同學們一定有這樣的經曆,當你站在馬路旁邊,即使沒有去注視路面上車輛的行駛的情況,單憑耳朵的聽覺判斷,也能感到一輛汽車正在駛過來,或者離你而去。這裡面除了依靠汽車行駛的聲音是漸強還是漸弱外,主要還是根據汽車行駛的車輪聲或剌叭聲調的變化。原來,車輛駛近時,聲音要變尖,也就是說,音調要高些;開過以後,遠離的時候,聲音會越來越低。

高中物理普勒效應(聲現象中的多普勒效應)1

為什麼會這樣呢?原來,聲音的形成,首先是由于發聲體的振動,然後在它周圍的空氣中形成了疏密相間的聲波,傳到耳朵裡,使耳膜随之同樣地振動起來,人們就聽到了聲音。耳膜每秒鐘振動的次數多,人就感到音調高;反之,耳膜每秒鐘振動的次數少,人就感到音調低。照這樣說,聲源發出什麼聲,我們聽到的就是什麼調。問題的關鍵在于汽車是處于靜止狀态還是運動狀态。當汽車靜止時,人們聽到的音調與聲源發出的音調相同。當汽車勻速駛來,輪胎與地面摩擦産生的聲波傳來時"疏"、"密"、"疏"、"密"是按一定規律,一定距離排列的,可當汽車向你開來時,它把空氣中聲波的"疏"和"密"壓得更緊了,"疏"、"密"的問題更近了,人們聽到的音調也就高了。反之,當汽車離你遠去時,它把空氣中的疏密拉開了,聽到的聲音頻率就小了,音調也就低了。汽車的速度越高,音調的變化也越大。在科學上,我們把這種聽到音調與發聲體音調不同的現象,稱為"多普勒效應"。

類比兩個例子,一、小孩子數人數的例子,如下圖所示。(簡單易懂就不解釋了)

高中物理普勒效應(聲現象中的多普勒效應)2

2、 植物大戰僵屍的例子。當僵屍不動時,如果10s内被5發豌豆擊中,那麼如果僵屍走近豌豆射手時,10s内被擊中的豌豆數必超過5發。

高中物理普勒效應(聲現象中的多普勒效應)3

多普勒效應是如何被發現呢?這還得從1815年英國工程師斯蒂芬森發明的火車說起。當火車穿過人口稠密地區時,通常會發出汽笛聲來警告人們。

高中物理普勒效應(聲現象中的多普勒效應)4

問題出現了:當火車漸漸靠近時,汽笛音調會變高;當火車漸漸遠離時,汽笛音調又會變低。難道發明者如此貼心,還為汽笛裝上了變聲器?正當人們疑惑這個現象之時,一位奧地利物理學家橫空出世,他就是多普勒!

高中物理普勒效應(聲現象中的多普勒效應)5

機智如他對這個問題做出了準确判斷:當機車逼近時,每個連續的聲音都稍微追上它前面的那個,因此聲音就比火車靜止時更頻繁地傳入耳朵,頻率高了,汽笛音調自然就高了;反之亦然。

高中物理普勒效應(聲現象中的多普勒效應)6

多普勒發現這個現象後,就……回家悶頭計算速度與音高的聯系,并在1842年解出了他們的數學關系,真是厲害了word物理學家!

高中物理普勒效應(聲現象中的多普勒效應)7

對多普勒效應最早的實驗驗證是在荷蘭進行的。1845年當時的荷蘭皇家氣象學院院長巴洛特(Buys Ballot)在烏得勒支鐵路上進行了實驗,讓機車牽引一節平闆車廂,上邊坐上一隊小号手奏樂,當機車快速駛來駛去時,由一些訓練有素的音樂家用自己的耳朵判斷音調的變化,然後音樂家與号手對調位置,重新實驗。實驗進行了兩天,觀測到了管樂器音調的明顯變化,驗證了應用于聲學時多普勒原理的正确性。不難想象,當時的火車速度遠不及今天快,因而驗證的效果不會特别顯著!

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