大學生宅家無聊,用手機驗證都卜勒效應

2020-12-04 新奇百怪漲知識

1. 實驗目的:

利用兩部智慧型手機和phyphox軟體來驗證都卜勒效應。

2.實驗器材:

兩部智慧型手機(含有phyphox軟體)、一部電腦(含有excel)

3. 實驗原理

本實驗的主要目的是利用手機來粗略地驗證一下都卜勒效應。都卜勒效應即當發聲器和接收器的相對靠近的時候,接收器接收到聲音頻率要比實際發出頻率要高;當發聲器和接收器相對遠離的時候,接收器接收到的聲音頻率要比實際發出頻率要低。若用公式表達,即:

f ' =f ×(1+v/V)/(1 - u/V)

其中V是聲速,f '是接收器接收到的頻率,f是發聲器的實際發聲頻率。v為接收器的移動速度,u為發聲器的移動速度,若接收器和發聲器正在相對靠近,則v、u取正,若接收器和發聲器正在相對遠離,則v、u取負。

而在本實驗,作為發聲器的手機是靜止不動的,即u=0,則公式演變為:

f '=f ×(1+v/V)

4. 實驗內容與步驟

1. 準備好兩部智慧型手機,都下載好phyphox軟體。

2. 其中一部手機作為發聲器(以下簡稱發聲器),點擊phyphox裡的Tone generator (音頻發生器),設置發聲頻率為1000赫茲,點擊開始按鈕,然後放置在小凳子上。

3. 首先自己步行,分別由遠及近、由近及遠地感受一下聲音頻率是否隨著自己的速度而變化。

4. 另一部手機作為接收器(一下簡稱接收器),點擊phyphox裡的Doppler effect(都卜勒效應),設置Base frequency(基準頻率)也為1000赫茲,然後點擊開始按鈕。

5. 將接收器分別放置在距離發聲器0米、5米的地方,測試這兩處接收到的頻率。各記錄三組數據。

6. 手持接收器,分別嘗試靠近、遠離發聲器,測試這兩種情況下接收到的頻率。各記錄三組數據。

7. 整理數據、得出結論、總結。

5. 數據處理及誤差分析

0米:

5米:

靠近:

將0.369713代入f '=f ×(1+v/V)

得f '=1000×(1+0.369713/340)=1001.087 Hz

將1001.041代入v= V(f '/f - 1)

得v= 340×(1001.041/1000- 1) =0.353940 m/s

可見測量值和理論值還是有點出入的,只後會分析誤差。

遠離:

將-0.33297代入f '=f ×(1+v/V)

得f '=1000×(1-0.332973/340)=999.0207 Hz

將999.0490代入v= V(f '/f - 1)

得v= 340×(999.0490/1000- 1) =-0.32334 m/s

同樣,測量值和理論值有所不同。

6.誤差來源分析:

1. phyphox自身精度誤差:很明顯,當作為接收器的手機靜止放在桌上時,其速度應該恆為0。但數據顯示,其速度卻在-0.02m/s至+0.02m/s之前徘徊,有個別數據的絕對值甚至更大。

2. 手機揚聲器誤差:揚聲器發出的聲音頻率可能並不是嚴格穩定的,這是硬體問題。比如設置為1000Hz,它有可能發出的是999Hz-1001Hz的聲音。

3. 室內活動空間有限,所以手持手機的移動速度不可能太快,這就會導致了都卜勒效應所引起的頻率變化不夠明顯,甚至由都卜勒效應所引起的頻率變化還不及第1點的誤差大。

4. 外界環境可能正好含有少量1000Hz的聲音。

7.總結

記住啦,當火車朝我們開來的時候,聽到的是尖尖的高頻聲;當火車朝我們遠去的時候,聽到的是低頻聲。

都卜勒效應在實際生活中有哪些應用

1. 航海船上會裝有聲納,測船的行駛速度。

2. 交警手中的測速儀

3. 用於天文學,如紅移、藍移,證明哪些天體正在靠近地球、哪些天體正在離我們遠去、宇宙正在膨脹。

4. 醫學上的彩超。

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