Введение 4
Глава 1 Анализ методов измерения эффекта Доплера в современном физическом эксперименте 6
1.1 Эффект Доплера и методы его демонстрации в современном
физическом эксперименте 6
1.2. Методы и средства измерения частоты звукового сигнала 8
1.3 Анализ аппаратной части 9
1.4. Анализ программного обеспечения 14
Глава 2 Разработка экспериментальной установки для демонстрации эффекта Доплера на основе интерфейсного шилда Vernier Arduino 19
2.1 Исследование характеристик излучателя 19
2.2 Исследование характеристик звукового сигнала в акустических
каналах разной формы и из разных материалов 22
2.3 Разработка аппаратной части установки 30
2.4 Разработка программного обеспечения установки 32
2.5 Проверка и оценки погрешности измерения частоты сигнала на
основе разработанного скетча 35
Глава 3 Проведение измерений эффекта Доплера на базе разработанной установки 35
3.1 Регистрация сигнала микрофона по фотозатвору на всём времени
полёта 36
3.2 Проведение измерений эффекта Доплера на базе разработанной
установки и их оценка 37
Заключение 39
Список литературы
Эффект Доплера играет важную роль в науке и повседневной жизни. Приборы на его основе применяются для измерения скорости автомобилей, при ультразвуковом зондировании потока крови и при измерении скорости жидкостей в трубах. Поэтому изучение этого эффекта должно занимать значимое место в курсах школьной и вузовской физики.
При этом большое значение имеет экспериментальная демонстрация эффекта Доплера, показывающая справедливость расчётных выражений, которые связаны с этим эффектом. До недавнего времени в основе большей части демонстраций эффекта Доплера лежало определение изменения частоты излучателя при его переходе из неподвижного положения в состояние движения с постоянной скоростью. Однако сейчас в широкой доступности появились такие компоненты, как контроллеры и платы сопряжения, датчики звука и различные конструктивные элементы, которые могут существенно изменить принципы построения установок для демонстрации эффекта Доплера. Примером такого оборудования могут служить контроллеры платформы Arduino и датчики звука компании Vernier, а также зуммеры с встроенными генераторами звуковых колебаний.
Совместная работа данных элементов может позволить регистрировать звуковой сигнал во время свободного падения зуммера и измерять его частоту. Такой метод демонстрации эффекта Доплера предполагает непрерывное изменение скорости излучателя звука и соответствующую непрерывную регистрацию изменения частоты. Однако для реализации данного метода необходимо собрать экспериментальную установку, состоящую из подвижного излучателя и неподвижного приёмника звукового сигнала, устройства регистрации и обработки сигнала, а также из комплекта вспомогательного оборудования, позволяющего передать звуковой сигнал от источника к приёмнику во время падения источника, а также соответствующего программного обеспечения.
Таким образом, цель данной работы заключается в разработке и иссле¬довании установки на базе Arduino для демонстрации эффекта Доплера.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
- Разработать программное обеспечение для регистрации эффекта До¬плера;
- Разработать экспериментальную установку для демонстрации эффекта Доплера на основе интерфейсного шилда Vernier Arduino;
- Провести измерения эффекта Доплера на базе разработанной уста-новки.
В результате работы была разработана и исследована установка на базе Лгбшпо для демонстрации эффекта Доплера.
Для демонстрации эффекта Доплера необходимо включить в состав этой установки следующие элементы: программируемое устройство Лгбшпо для сбора данных, микрофон для регистрации тона звукоизлучателя, фотозатвор для запуска измерительных приборов без задержки. На основе тестовых изме¬рений рекомендуется использовать пластмассовый акустический канал круг¬лого сечения, установленный вертикально. Снаряд (зуммер) рекомендуется использовать на основе звукоизлучателя с встроенным генератором и авто¬номным питанием. В основе расчёта частоты лежит метод, основанный на под¬счете числа полупериодов колебаний.
Так же исследован эффект интерференции и рассчитана скорость сна-ряда в конечный момент времени цк = 5,4 м/с.
Расчёт по формуле ц = д£ даёт значение 9,8 * 0,6 = 5,8 м/с, отличие от конечной скорости рассчитанной через эффект интерференции всего на 0,4 м/с.
В результате опытов на разработанной установке наблюдается устойчивое снижение частоты во время падения «звукового снаряда». Оценки эффекта Доплера по смещению частоты (Д/'), обусловленному конечной скоростью падения, и по смещению частоты из аппроксимирующей прямой (Д/) близки: Д/' = 46,5 Гц и Дf = 47,5 Гц .
