班巍

在日常生活中，我们都可能遇过这种现象：在路边等候时，偶遇正在出警的消防车或是飞驰而过的救护车。当车靠近时，我们会听到警笛声的音调越来越高;当车远离时，我们听到警笛声的音调是越来越低的。物理学把这种现象叫“多普勒效应”。

对于多普勒效应，我们可以从物理学视角去探究，以警笛声声波为例，究其成因：笛声作为波源，它与观察者（我们）是相对于传播介质（空气）运动的，而观察者接收到的声波频率与波源发出的频率不相同，并且声波波长因波源和观测者的相对运动也产生变化。在运动的波源前面，笛声声波被压缩，波长变得较短，频率变得较大，音调变高;在运动的波源后面，笛声声波被扩散而离车远去，波长变得较长，频率变得较小，音调变低，于是发生相反的音调效应。因此，如果波源的速度越高，所产生的多普勒效应就会越大。

《普通高中物理课程标准（2017年版2020年修订）》对于“多普勒效应”的教学要求为：通过实验，认识多普勒效应，能解释多普勒效应产生的原因。基于此，在课堂教学时，由于受场地、器材等因素限制，若手持蜂鸣器走动或摆动来演示多普勒效应，现象并不明显。通常使用多媒体把录制好的“多普勒效应”现象的视频重现给学生，让他们观看这一奇特现象。

为了帮助学生加深对多普勒效应的理解，可以使用电磁波实验来演示多普勒效应。选用的器材是：电磁波发射器和电磁波接收器（音频接收器、电表指示接收器）。使用电磁波发射器发送电磁波，用电磁波接收器接收电磁波，利用电磁波接收器接收电磁波产生的电磁感应现象去演示多普勒效应。

下面，笔者介绍利用电磁波发送与接收产生的电磁感应变化的现象演示多普勒效应的两种改进实验方案。

实验方案1：通过发射器、接收器信号系统演示多普勒效应

实验时，正确组装好电磁波发射器和音频接收器。通电，让电磁波发射器发射调制的音频电磁波信号。然后，手持音频接收器慢慢靠近电磁波发射器的发射天线（波源）。在此过程，音频接收器接收到的音频信号逐渐增强，音频接收器的信号电平显示亮度逐渐加强，音频接收器的扬声器发出音频信号的音调越来越刺耳（如图1所示）。反之，当音频接收器天线远离发射器的发射天线时，音频接收器的音频信号逐渐减弱，信号电平显示也随之减弱，音频接收器的扬声器发出音频信号的音调逐渐衰弱至无声（如图2所示）。

实验原理是：当音频接收器的天线靠近电磁波发射器的发射天线这一过程，它接收到音频电磁波后会发生电磁感应。对于音频接收器而言，它接收到发射器发射的音频电磁波是叠加的，音频电磁波的频率增大，波长变短，此时的音频电磁波的场强增强，致使音频接收器发生渐强的电磁感应，转化的音频电流增大，驱使音频信号随之增强，信号电平显示增亮。反之，当音频接收器的天线渐离电磁波发生器的发射天线，它接收到的音频电磁波的频率逐渐减少，波长逐渐变长，此时的音频电磁波的场强逐渐减弱，致使音频接收器发生的电磁感应减弱，相应转化的音频电流减小，故音频信号减弱，信号电平显示亮度衰减，扬声器发声渐息。

因此，通过改变音频接收器的天线与电磁波发生器的发射天线（波源）发生相对的位移实验，从音频接收器反馈音频信号的强弱现象就可以演示音频电磁波的多普勒效应。

实验方案2：使用电表指示接收器演示多普勒效应

实验时，同样组装好电磁波发射器和电表指示接收器。将电表指示接收器置于距离发射机2米处，尽可保持接收天线与发射天线平行。此时，将两实验器接上电源稍后，电磁波发射器正常发射出电磁波，电表指示接收器的电流表有相应的微弱读数。实验时，持电表指示接收器天线逐渐靠近发射天线（波源）时，电流表的读数逐渐增大，表明电表指示接收器的电磁感应电流在增大。原因是电表指示接收器天线靠近发射天线时，它接收到的电磁波信号逐渐增强，感应到的电磁波是叠加的，电磁波的波长逐渐变短且频率在不断加强，此时的电磁波的场强持续加强，电磁感应强度增强，从而激发电表指示接收器的电磁感应电流增大，电表指数变大（如图3所示）。反之，当电表指示接收器的天线远离发射天线（波源）时，电表读数随之逐渐减小。这是因为电表指示接收器的天线在远离发射天线时，感应到的电磁波的频率逐渐减小而波长却在变长，此时的电磁波的场强持续减弱，致使电磁感应减弱，从而造成电表指示接收器的感应电流就相应减小，电表指数变小（如图4所示）。这一现象就类似于声波从高音调到低音调的过程。电表的示数变化正是由于电表指示接收器天線与电磁波的发射天线（波源）发生相对的位移，造成接收到的电磁波频率和电磁波的波长发生变化所致。因此，也可用电表指示接收器的电表读数变化现象来演示电磁波的多普勒效应。

实验表明，上述的两种实验改进方案都可以清晰地展示多普勒效应现象。其实，多普勒效应的现象是比较广泛和常见的，现实生活中也有很多实际的应用。如，交通上用于测量车速;医学上用于测量血流速度;天文学家利用电磁波红移提出的“大爆炸理论”;卫星跟踪系统;用于贵重物收藏室、机密室的防盗系统，等等。因此，作为实验教学，如果能进一步创新多普勒效应实验装置、探究和改进实验方案，将有助于学生深刻理解物理现象的科学知识。

责任编辑  陈  洋