一種都卜勒效應實驗裝置、系統和方法

2023-06-01 08:52:41

專利名稱：一種都卜勒效應實驗裝置、系統和方法
技術領域：
本發明涉及教育實驗用品技術領域，尤其是涉及一種都卜勒效應實驗裝置、系統 和方法。
背景技術：
都卜勒效應是眾多領域學者必須研究的課題，通過實驗儀器將都卜勒效應直觀地 演示，對於初步認識都卜勒效應的學習者來說，是非常有必要和有效的。現有的演示都卜勒效應的方法，是通過在液體表面上移動振源，觀察液面上水波 波長的變化進行演示。然而發明人發現，由於實驗室內的空間大多有限，所以盛放液體的容器較小，往往 振源可移動距離很有限，導致都卜勒現象非常短暫，不能持續較長時間，觀察難度較大。

發明內容
本發明提出了一種都卜勒效應實驗裝置、系統和方法，解決了現有技術中都卜勒 效應演示不能持續較長時間的問題。為了達到上述目的，本發明的技術方案是這樣實現的—種都卜勒效應實驗裝置，包括第一池、第二池、泵、管、槽和振源；所述管連通所 述第一池和所述第二池；所述槽連通所述第一池和所述第二池，所述振源安裝於所述槽的 上方；所述泵用於將所述第一池內的液體物質通過所述管輸送到所述第二池，並使得所述 第二池內的液體物質通過所述槽持續流回所述第一池，所述液體物質在所述槽內形成處於 所述振源下方的液面。其中，還包括多孔板，所述多孔板位於所述第二池內的管的出液口以上、液面以 下。一種都卜勒效應實驗系統，包括如前所述的都卜勒效應實驗裝置和控制設備；所 述控制設備包括控制電路、控制面板和光源；所述控制電路包括第一控制電路和第二控制 電路，所述控制面板包括第一控制面板和第二控制面板；所述第一控制電路，用於產生使所 述振源振動的波形信號，與所述第一控制面板電性連接，所述第一控制面板上設有用於調 節所述振源振動頻率的第一按鈕和一路以上波形信號輸出端，所述振源電性連接至所述波 形信號輸出端。其中，所述振源固定連接於可上下調節的懸臂上，所述懸臂固定連接於所述槽。其中，所述槽的底部設置可旋轉的刻度尺。其中，所述第二控制電路和所述光源均與所述第二控制面板電性連接，所述第二 控制面板上設有用於調節光源閃動頻率的第二按鈕；所述光源置於所述都卜勒效應實驗裝置的槽的下方，所述光源和所述槽之間還設 有第一曲面透鏡和/或螺紋透鏡。其中，還包括投影設備，所述投影設備位於所述槽的上方，用於將所述槽的液面的波動影像投射到幕布或牆壁上。本發明還公開了一種都卜勒效應實驗方法，其特徵在於，採用如前所述的都卜勒 效應實驗系統進行實驗，包括以下步驟將所述第一池內的液體物質持續通過管輸送至所述第二池，使得第二池內的液體 物質通過所述槽持續流回第一池，以在所述槽內形成液體的持續流動；振源振動觸碰槽內 的持續流動液體的液面；獲取所述振源上遊的波長和振源下遊的波長。其中，所述步驟獲取所述振源上遊的波長和振源下遊的波長之後還包括步驟根 據所述波長和振源的振動頻率計算波的傳播速度。其中，所述步驟獲取所述振源上遊的波長和振源下遊的波長之後還包括步驟獲 取液體流上漂浮物的頻閃照片，根據拍攝時間差和漂浮物的位移計算液體流速。可見，本發明至少具有如下的有益效果1、本發明的一種都卜勒效應實驗裝置、系統和方法，利用泵將第一池內的液體物 質持續抽送至第二池，再將第一池和第二池通過連通，在槽內形成持續的液體流動，振源與 所述槽保持相對靜止，因此形成了振源與流動液體的相對運動，只要泵運轉，則液體物質會 持續在第一池和第二池循環流動，振源振動時，就會持續出現都卜勒效應，實現了有限空間 內，都卜勒現象的持續演示；2、本發明的一種都卜勒效應實驗系統，通過第一控制電路和第一控制面板對所述 振源的振動頻率進行定量控制，為定量研究都卜勒效應提供了重要參數。


為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現 有技術描述中所需要使用的附圖作一簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖是本發 明的一些實施例，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根 據這些附圖獲得其他的附圖。圖1為本發明的一種都卜勒效應實驗裝置的一種實施方式的結構示意圖；圖2為本發明的一種都卜勒效應實驗系統的一種實施方式的結構示意圖；圖3為本發明的一種都卜勒效應試驗系統的控制設備的一種實施方式的結構不 意圖；圖4為本發明的一種都卜勒效應實驗系統的控制面板的一種實施方式的示意圖；圖5為本發明的一種都卜勒效應實驗系統的懸臂和振源的一種實施方式的結構 示意圖；圖6為本發明的一種都卜勒效應實驗裝置的另一種實施方式的結構示意圖；圖7為本發明的一種都卜勒效應實驗系統的另一種實施方式的結構示意圖。
具體實施例方式為使本發明實施例的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合本發明實施例 中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是 本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員 在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明保護的範圍。
本發明提出了一種都卜勒效應實驗裝置1，參見圖1，包括第一池11、第二池12、泵 13、管14、槽15和振源16 (圖中未示出)。其中，所述管14連通所述第一池11和所述第二池12，所述槽15連通所述第一池 11和所述第二池12，所述振源16安裝於所述槽15的上方。所述泵13用於將所述第一池11內的液體物質通過所述管14輸送到所述第二池 12，並使得所述第二池12內的液體物質通過所述槽15持續流回所述第一池11，所述液體物 質在所述槽15內形成處於所述振源16下方的液面。在實際操作時，所述第一池11和所述第二池12均盛放有液體物質，所述泵13置 於第一池11內，沉沒於所述液體物質中，所述泵13的出液口與管14的一端固定連接，管14 的另一端插入第二池12的液體物質中。所述泵13運轉時，將第一池11內的液體持續通過 管14輸送至第二池12。泵13是輸送液體或使液體增壓的機械。它將原動機的機械能或其他外部能量傳 送給液體，使液體能量增加，主要用來輸送液體包括水、油、酸鹼液、乳化液、懸乳液和液體 金屬等，也可輸送液體、氣體混合物以及含懸浮固體物的液體。對應地，所述液體物質為水、油、酸鹼液、乳化液、懸乳液和液體金屬等，或兩種以 上液體純淨物的混合物，優選地，作為一種可實施方式，可採用水，本領域技術人員可根據 實際情況對液體物質做具體選擇，本發明不做限定。由於槽15將第一池11和第二池12連通，構成連通器結構，根據連通器原理，當泵 13運轉，第一池11內的液體藉助泵13的動力將液體持續輸送至第二池時，會使得第二池 12內的液體自動從槽15流回第一池11，以此在槽15形成穩定寬面的液體。振源16位於所述槽15液面上方，相對所述槽15靜止，當所述槽15內有持續流動 的液體時，振源16相對液體流產生了位移，當振源16振動時，都卜勒效應就發生了。為了防止管14出液口液體流出造成液面的波動，影響振源16產生的波形的質量， 在本實施例中，都卜勒效應實驗裝置還包括多孔板17，所述多孔板17位於所述第二池12內 管14出液口以上、液面以下，優選地，如圖1所示，可在第二池12內液面以下幾釐米處加裝 一塊與第二池12等面積的多孔板17。本發明的一種都卜勒效應實驗裝置1，實現了振源相對液體物質的移動，當振源振 動時，形成的波形就會在液面上產生都卜勒效應，與在液面上移動振源產生的現象等效，但 克服了原有不能長時間觀察的缺點。並可以通過控制泵的功率來調節液體流動速度，實現 了對振源和液體物質的相對速度進行改變，更好地對都卜勒現象進行演示和研究。本發明還提供了一種都卜勒效應實驗系統，參見圖2，包括都卜勒效應實驗裝置1 和控制設備2。其中，都卜勒效應實驗裝置1如前所述，包括第一池11、第二池12、泵13、管14、槽 15和振源16，不再贅述。所述控制設備2包括控制電路、控制面板21和光源22 ;所述控制電路包括第一控 制電路和第二控制電路，所述控制面板21包括第一控制面板和第二控制面板；所述第一控 制電路，用於產生使所述振源振動的波形信號，與所述第一控制面板電性連接，所述第一控 制面板上設有用於調節所述振源振動頻率的第一按鈕和一路以上波形信號輸出端，所述振 源16電性連接至所述波形信號輸出端。所述第二控制電路和所述光源均與所述第二控制面板電性連接，所述第二控制面板上設有用於調節光源閃動頻率的第二按鈕。作為一種可實施方式，參見圖3，控制設備2包括控制電路、控制面板21、光源22 和箱體23。控制電路包括第一控制電路和第二控制電路，所述控制電路置於所述箱體內部。控制面板21包括第一控制面板和第二控制面板，控制面板置於所述箱體一側面。第一控制電路與所述第一控制面板電性連接，第一控制面板上設有一路以上波形 信號輸出端和振動頻率調節按鈕，振源電性連接至波形信號輸出端。第二控制電路和光源 與第二控制面板電性連接，第二控制面板上設有光源閃動頻率調節按鈕。參見圖4，圖4為本發明的一種都卜勒效應實驗系統的控制面板的一種實施方式 的示意圖。在本實施方式中，所述第一控制面板包括第一顯示器2101、第一粗調按鈕2102、 第一微調按鈕2103、振幅調節按鈕2104和兩路波形信號輸出端2105。第二控制面板包括 第二顯示器2106、第二粗調按鈕2107和第二微調按鈕2108。第一控制電路能產生振源需要的正弦電信號，並能通過控制面板21第一粗調按 鈕2102和第一微調按鈕2103進行頻率粗調或微調，通過振幅調節按鈕2104進行振幅調 節，實現對振源產生的波動頻率和振幅(強弱)的調節。並能在控制面板21上的第一顯示器 2101顯示振動頻率，便於調節和定量計算。參見圖5，圖5為本發明的一種都卜勒效應實驗系統的懸臂和振源的一種實施方 式的結構示意圖。在本實施例中，所述振源16採用小型動圈式電磁振動頭，將其固定在可 上下調節的懸臂24上，懸臂24通過角鐵241和螺絲242固定在水槽邊，可以手動擰松螺絲 242，實現懸臂24沿槽移動，調整振源16的位置。振源16通過導線161連接到第一控制電 路的波形信號輸出端2105。 優選地，在本實施例中，所述光源採用LED燈，對LED燈進行通斷控制，從而實現燈 的頻閃。對其頻率的控制主要通過第二控制電路的方波信號發生電路和控制面板21上的 光源閃動頻率粗調或微調旋鈕進行，並能數碼顯示出LED燈的頻閃頻率，為了定量實驗用， 比如測量水波等液體的波速等，直觀，方便調節。優選地，在本實施例中，所述光源22嵌入所述箱體23的頂部，為了防止LED燈的 發熱導致高溫，在所述箱體側面和/或底部設有通風孔和/或風扇通風，以便降溫。優選地，在本實施例中，將光源22置於都卜勒效應實驗裝置的槽的下方，光源22 和槽15之間還設有第一曲面透鏡和/或螺紋透鏡，用以控制光的方向和強度，使其更適於 觀察槽15內液面的波動情況。在本實施例中，槽15的底部設有可旋轉的刻度尺，優選地，為了能夠測量水波的 波長，在槽的下面、以振源的正下方為圓心固定一個可以旋轉的透明的毫米刻度尺18，如圖 6所示，當設有光源時，刻度尺18的旋轉中心還應該與光源正對。優選地，在本實施例中，所述都卜勒效應實驗系統還包括投影設備25，參見圖7所 示，所述投影設備25位於所述槽15的上方，用於將所述槽15液面的波動影像投射到幕布 或牆壁上。優選地，所述投影設備25包括第二曲面透鏡251和平面反光鏡252，可以上下調 節。在本實施例中，為了實現對槽15中波動影像的清晰顯示，LED光源的光通過第一 曲面透鏡和螺紋透鏡照射到槽15的下方，同時為了方便觀察和使用，在槽15的上方加裝一個可以上下調節的第二曲面透鏡251和平面反光鏡252，將波動影像投射到幕布或牆壁上， 提高了教學活動過程中的可看性和實用性。本發明還提供了一種都卜勒效應實驗方法，採用如前所述的都卜勒效應實驗系統 進行實驗，包括以下步驟步驟S101 :將所述第一池內的液體物質持續通過管輸送至所述第二池，使得第二 池內的液體物質通過所述槽持續流回第一池，以在所述槽內形成液體的持續流動。步驟S102 :振源振動觸碰槽內的持續流動液體的液面。步驟S103 :獲取所述振源上遊的波長和振源下遊的波長，比較其差值；根據所述 波長和振源的振動頻率計算波的傳播速度；獲取液體流上漂浮物的頻閃照片，根據拍攝時 間差和刻度尺所顯示的漂浮物的位移計算液體流速。採用本發明提供的都卜勒效應實驗裝置和系統，除了能清楚地看到都卜勒效應之 外，還能結合振源振動的頻率和波動的波長測量出波在液體中的傳播速度，然後通過隨液 體流移動的漂浮物的頻閃照片，結合與水槽下面的刻度尺的刻度顯示，可獲得水流速度，或 者通過其他方式獲得水流速度，從而實現對水波都卜勒效應的定量研究。本發明的一種都卜勒效應實驗裝置、系統和方法，針對無法連續看到穩定的多普 勒效應現象，設計上採用「液體動振源不動」的方案，克服了原來因振源移動空間有限，而無 法長時間觀察都卜勒效應的問題。除此之外，當液體物質為水時，還可通過調換槽上的振源，將單振頭改成雙振頭便 可進行水波的幹涉實驗。當關閉泵，水流不動時，通過單振頭(或線振頭)實現水波的衍射實 驗。還能通過在連接裡墊入玻璃等介質，產生深水區和淺水區，可做水波的折射實驗。最後應說明的是以上實施例僅用以說明本發明的技術方案，而非對其限制；盡 管參照前述實施例對本發明進行了詳細的說明，本領域的普通技術人員應當理解其依然 可以對前述各實施例所記載的技術方案進行修改，或者對其中部分技術特徵進行等同替 換；而這些修改或者替換，並不使相應技術方案的本質脫離本發明各實施例技術方案的精 神和範圍。
權利要求
1.一種都卜勒效應實驗裝置，其特徵在於，包括第一池、第二池、泵、管、槽和振源； 所述管連通所述第一池和所述第二池； 所述槽連通所述第一池和所述第二池，所述振源安裝於所述槽的上方； 所述泵用於將所述第一池內的液體物質通過所述管輸送到所述第二池，並使得所述第二池內的液體物質通過所述槽持續流回所述第一池，所述液體物質在所述槽內形成處於所述振源下方的液面。
2.根據權利要求I所述的都卜勒效應實驗裝置，其特徵在於，還包括多孔板，所述多孔板位於所述第二池內的管的出液口以上、液面以下。
3.一種都卜勒效應實驗系統，其特徵在於，包括如權利要求I或2所述的都卜勒效應實驗裝置和控制設備； 所述控制設備包括控制電路、控制面板和光源； 所述控制電路包括第一控制電路和第二控制電路，所述控制面板包括第一控制面板和第二控制面板； 所述第一控制電路，用於產生使所述振源振動的波形信號，與所述第一控制面板電性連接，所述第一控制面板上設有用於調節所述振源振動頻率的第一按鈕和一路以上波形信號輸出端，所述振源電性連接至所述波形信號輸出端。
4.根據權利要求3所述的都卜勒效應實驗系統，其特徵在於，所述振源固定連接於可上下調節的懸臂上，所述懸臂固定連接於所述槽。
5.根據權利要求3所述的都卜勒效應實驗系統，其特徵在於，所述槽的底部設置可旋轉的刻度尺。
6.根據權利要求3所述的都卜勒效應實驗系統，其特徵在於，所述第二控制電路和所述光源均與所述第二控制面板電性連接，所述第二控制面板上設有用於調節光源閃動頻率的第二按鈕； 所述光源置於所述都卜勒效應實驗裝置的槽的下方，所述光源和所述槽之間還設有第一曲面透鏡和/或螺紋透鏡。
7.根據權利要求6所述的都卜勒效應實驗系統，其特徵在於，還包括投影設備，所述投影設備位於所述槽的上方，用於將所述槽的液面的波動影像投射到幕布或牆壁上。
8.一種都卜勒效應實驗方法，其特徵在於，採用權利要求3-7任一項所述的都卜勒效應實驗系統進行實驗，包括以下步驟 將所述第一池內的液體物質持續通過管輸送至所述第二池，使得第二池內的液體物質通過所述槽持續流回第一池，以在所述槽內形成液體的持續流動； 振源振動觸碰槽內的持續流動液體的液面； 獲取所述振源上遊的波長和振源下遊的波長。
9.根據權利要求8所述的都卜勒效應實驗方法，其特徵在於，所述步驟獲取所述振源上遊的波長和振源下遊的波長之後還包括步驟 根據所述波長和振源的振動頻率計算波的傳播速度。
10.根據權利要求8所述的都卜勒效應實驗方法，其特徵在於，所述步驟獲取所述振源上遊的波長和振源下遊的波長之後還包括步驟 獲取液體流上漂浮物的頻閃照片，根據拍攝時間差和漂浮物的位移計算液體流速。
全文摘要
本發明提出了一種都卜勒效應實驗裝置，包括第一池、第二池、泵、管、槽、振源和液體物質。本發明還提供了一種都卜勒效應實驗系統，都卜勒效應實驗裝置和控制設備；所述控制設備包括控制電路、控制面板、光源和箱體。本發明還提供了一種都卜勒效應實驗方法，採用所述的都卜勒效應實驗系統進行實驗，包括以下步驟將所述第一池內的液體物質持續通過管輸送至所述第二池，使得第二池內的液體物質通過所述槽持續流回第一池，以在所述槽內形成液體的持續流動；振源振動觸碰槽內的持續流動液體的液面；獲取所述振源上遊的波長和振源下遊的波長。該裝置、系統和方法，能夠長時間持續演示都卜勒效應。
文檔編號G09B23/06GK102663930SQ201210141400
公開日2012年9月12日 申請日期2012年5月8日 優先權日2012年5月8日
發明者劉傑 申請人:劉傑