XXI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Изучение эффекта Доплера

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Пятаев Г.В. 1

---

1ОГБОУ "Краснояружская СОШ"

Бугаева Л.В. 1

---

1ОГБОУ "Краснояружская СОШ"

Работа в формате PDF

484.5 KB

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

1.Введение

Одно из интереснейших, необычных и оптически красивых явлений, которому уделяется недостаточное внимание в школьном курсе физики – это эффект Доплера. Эффект Доплера описывает изменение частоты волны при относительном движении источника или наблюдателя. Изучая научно- популярную литературу и интернет источники, было обнаружено, что этот эффект играет ключевую роль в радиотехнике, медицинских устройствах, а также в оптических системах. В современном мире прогрессивного развития технологий, данный эффект применяется не только для оптимизации уже существующих технологий, но и для создания новых, более эффективных инженерных систем. Поэтому, считаю, что изучение эффекта Доплера является важной и актуальной темой исследования.

Цель работы: провести экспериментальное изучение эффекта Доплера.

Задачи исследования:

1. Узнать, в чём состоит суть эффекта Доплера, познакомиться с его математическим описанием.

2. Собрать установку для исследования эффекта Доплера, пронаблюдать эффект.

3. Рассмотреть примеры применения эффекта Доплера в современных технологиях.

Объект исследования: эффект Доплера.

Предмет исследования: возможность изучения эффекта Доплера в условиях школьной лаборатории.

Методы исследования: изучение литературы, эксперимент.

II. Суть эффекта Доплера, его математическое описание

Явление эффекта Доплера названо в честь его первооткрывателя - австрийского физика Кристиана Доплера (рис.1), который впервые упомянул о нём в своей работе «О цветном свете двойных звёзд».

Кристиан Доплер (1803-1853)

Данное явление характерно для любых видов волн и потоков частиц, но Доплер пришёл к этому открытию, изучая свойства именно звуковых волн. И, действительно, чаще всего эффект Доплера встречается именно в акустике. Известно, что частота звуковых колебаний воспринимается ухом человека на слух как высота звука. Доплер обнаружил, что при приближении источника звука к наблюдателю (приёмнику звуковых волн) высота звука будет казаться выше, чем, если, этот же источник излучал звук в состоянии покоя. При удалении же от наблюдателя, тональность звуковых волн, наоборот, будет понижаться. Для наглядности этого эффекта можно воспользоваться рисунком.

Рис.2.

Схематическая демонстрация эффекта Доплера

На рис.2. вверху схематически изображено распределение частот звуковых волн от работающего автомобиля в состоянии покоя. Слева и справа от источника звука (автомобиля) расположены наблюдатели (приемники) звука. Видим, что в состоянии покоя источника звуковых волн, тональность звука одинакова как для наблюдателя слева, так и для наблюдателя справа. Внизу на рис.2 условно показана тональность звуковых волн от движущегося автомобиля к наблюдателю справа и к наблюдателю слева. Видим, что звук более высокой тональности будет воспринимать наблюдатель справа, - тот, к которому приближается автомобиль. Наблюдатель, от которого отдаляется источник звука (автомобиль), будет воспринимать звук более низкого тона, чем на верхнем рисунке.

Эффект Доплера можно изучать не только с позиции изменения частоты, но и с позиции изменения длины волны. Если источник излучения движется по лучу зрения наблюдателя со скоростью , называемой лучевой скоростью, то вместо длины волны , которую излучает источник, наблюдатель будет фиксировать волну длиной , так, что: .

Таким образом, теоретическое изучение эффекта Доплера показывает, что он основан на двух ключевых идеях: изменении частоты (длины волны) и относительности движения источника и наблюдателя.

III. Изучение эффекта Доплера

Для изучения эффекта Доплера в школе используется учебный прибор, представляющий собой звукоизлучающее устройство (частота излучения звуковых волн составляет 400 Гц), закреплённое на лицевой панели корпуса. К корпусу прикреплена нить, с помощью которой прибор приводят во вращение по окружности (рис.3). Из устройства было решено взять идею вращательного движения на нити.

Рис.3.

Учебное оборудование – прибор для демонстрации эффекта Доплера

Для проведения эксперимента по изучению эффекта Доплера была подготовлена установка, состоящая из источника звука и приёмника звука. В отличие от классического опыта, приведённого выше, в данной установке источник звуковых волн оставался неподвижен. Двигался приемник звуковых волн.

В качестве источника звука использовался ноутбук с установленным программным обеспечением - тонгенератором (ссылка на сайт https://www.loudsound.ru/generator/). В качестве приемника звука использовался мобильный телефон, с установленным приложением Sound Analyzer Basic. Приложение позволяло замерить частоту принятого сигнала. Также в телефоне было установлено приложение YouCut, позволяющее замедлить готовую видеозапись для более точного определения частоты принятого звукового сигнала. Относительность движения приемника и источника звука обеспечивалась маятниковой моделью, к которой был прикреплён телефон. Фото установки представлено на рис. 4.

Рис.4.

Установка для проведения исследования

С помощью генератора звука задавалось поочерёдно три частоты: 500, 800, 1100 Герц. Для каждой частоты проводилось по три эксперимента с тремя различными амплитудами. Благодаря приложению YouCut были точно определены максимальные и минимальные значения звуковых частот при приближении маятника к источнику звука и при его удалении. Фото экрана телефона представлены на рис.5., а значения измеренных частот при относительном движении приёмника звука - в Таблицах «Результаты экспериментов».

Таблицы «Результаты экспериментов»

На основе анализа результатов экспериментов, можно сделать следующие выводы:

1.Действительно, наблюдается увеличение частоты звуковой волны при приближении к источнику звука и уменьшении частоты – при удалении от источника звука.

2.Можно заметить, что с увеличением амплитуды в маятниковой установке наблюдается увеличение средней частоты звукового сигнала при приближении к источнику звука и уменьшение средней частоты при отдалении от него.

2. Погрешности в измерении величин в ходе эксперимента связаны:

• с траекторией движения приемника к источнику звука: движение происходит не по прямолинейной траектории, а по криволинейной;

• с моделью самой установки: происходит движение не источника звуковых сигналов, а приёмника.

IV. Примеры применения эффекта Доплера

Эффект Доплера играет значительную роль в радиотехнике и электронике, влияя на передачу и прием радиосигналов при движении источника, наблюдателя или обоих. Он применяется в радарных системах и радиолокации для определения скорости движения мирных и военных объектов на Земле и в ближнем космосе. Эффект Доплера учитывается в мобильной связи при передаче сигналов между мобильными устройствами и базовыми станциями.

Он применяется в быту в полицейских радарах и в охранных системах. Акустический эффект Доплера широко используется в ультразвуковой диагностике для цветной визуализации органов человека. Также эффект Доплера широко применяется в медицине. На нем основано действие приборов ультразвуковой диагностики. Существует отдельная методика в УЗИ, называемая доплерографией.

В астрономии эффект Доплера используется для измерения скорости, с которой звезды и галактики приближаются или удаляются от нас, что приводит к так называемому синему или красному смещению соответственно. Открытие эффекта Доплера сыграло важную роль в ходе становления современной физики и астрономии. Одно из подтверждений теории Большого взрыва основывается именно на этом эффекте.

V. Заключение

В процессе выполнения исследовательской работы была изучена суть эффекта Доплера. Изучение научно-популярной литературы и интернет-источников позволило познакомиться с многообразием применения этого феномена в различных областях науки и техники. Можно надеяться, что в перспективе, научные исследования эффекта Доплера могут привести к новым открытиям и инновациям, особенно в квантовых технологиях, космических исследованиях и в области медицинской диагностики. Постоянное развитие технологий связи и материаловедения также предоставляет возможности для новых применений этого эффекта.

Собранная в ходе исследования установка позволила экспериментально изучить данный эффект и выявить определённые особенности и погрешности, которые нужно учитывать при использовании такой конструкции. Методика изучения эффекта Доплера, описания в работе, может быть альтернативой использования стандартного прибора для изучения этого явления в школьном курсе физики при выполнении работ лабораторного практикума, кружковой работе и дополнительном образовании школьников.

VI. Список литературы

1. Андреев Н.Н., Введенский Б.А., Вонсовский С.В. Доплера эффект. Физический энциклопедический словарь. Том 1. Гос. Изд во «Советская энциклопедия». Москва, 1960. 664 с.

2. Голямина И.П. , Исакович М.А., Китайгородский Ю.И. Эффект Доплера. Маленькая энциклопедия. Ультразвук. Изд-во «Советская энциклопедия». Москва, 1979. 400 с.

3. Хокинг С. «Кратчайшая история времени», Изд-во «АСТ». Москва, 2017. 232 с.

4. Электронный ресурс- https://ru.wikipedia.org/wiki Эффект Доплера