高中物理教学论文对一个演示实验的思考人教版

用心爱心专心1对一个演示实验的思考人民教育出版社普通高中课程标准试验教科书物理选修3-4第十二章机械波的第7节多普勒效应中，有蜂鸣器音调的变化的演示实验。内容如下：将一个以电池做电源的蜂鸣器固定在长竹竿的一端，闭合开关后听一听它发出的声音。用竹竿把蜂鸣器举起后在头顶快速转动（如图1所示），听听它的声音有什么变化。思考1：周围学生听到的声音有什么变化？为简单起见，不妨取蜂鸣器的转动平面与学生的耳朵在同一水平面内，学生围在蜂鸣器的圆周边倾听，如图2所示，设学生静止位于A点，蜂鸣器逆时针转动，蜂鸣器发声频率01000fHz，声速340/Svms，其圆周运动的速度为v，半径为2.5Rm，周期1Ts，由图易知，蜂鸣器相对于学生产生频移的速度分量cosvv，其中为v与v之间的夹角。则由多普勒效应公式可得学生听到的频率0SSvffvv①，其中v在蜂鸣器远离学生时为正，接近学生时为负。由图2所示，有几何关系：2，2；联立以上两式解得：2222tfttT。设蜂鸣器作匀速率圆周运动，则22coscosRRtvTTT，0tT；所以02cosSSvffRtvTT,0tT②；代入数据得53403.41010003405cos3405cosftt,0tT③。由Mathematica软件可以画出f随t变化的函数图象，如图3所示,此为一个周期T内f随t变化的函数图象。由图像可见：在一个周期T内（即蜂鸣器旋转一圈），学生听到的频率f随时间t的增大而增大，在tT时达到最大。此时蜂鸣器回到出发点A。另一方面，由①式知，当蜂鸣器接近A点时，1图vvvACBD2图0.20.40.60.819609801000102010401060ft3图用心爱心专心2vv，频率f达到最大值，然而当蜂鸣器刚一经过A点，则vv，频率f则由最大值迅速降至最小值，从而开始第二个周期的运动（重复着第一个周期内的运动情况）。可见图象与理论分析完全吻合。思考2：演示者听到的声音有什么变化？如图4所示，设演示者身高为h，其位于以蜂鸣器转动平面为底面的一个圆锥体内，AKh，0hAO，AO垂直于底面，垂足为O，蜂鸣器速度为v，在某一时刻t，蜂鸣器位于P处，连接OP，KP。因为AOv，OPv，则v垂直于平面AOP，所以KPv。所以蜂鸣器相对于演示者产生频移的速度分量始终为零，所以演示者接收到的频率0ff，即演示者听不出声音有任何变化。结语：通过本文的思考，我们看到在演示此实验时，可让学生分别当倾听者与演示者，让他们有不同的情境体验，引发其探究、思考的热情，从而对多普勒效应产生的原因有更深入、本质的理解。4图KPOvAh