实验创新：利用智能手机探究声波的多普勒效应规律

图1 实验场景

1 引言

居家抗疫的日子实在无趣，除了遵照学校课表按时开播网课之外，就是摆弄手机，打发时间。

智能手机是一个移动的智能终端，里面搭载有各式各样的传感器，只要设计合理，巧妙运用，智能手机就是一个随身携带的科学探究实验室。

2 多普勒效应现象的演示原理

微主就是在打发时间的过程中，不断地捣鼓手机里面安装的几十款手机传感器APP。当捣鼓到音频发生器和吉他调音器的时候，忽然有了用吉他调音器测定音频发生器所发声音频率的想法，因为两者一旦存在相对运动，接收值与发射值之间将会存在偏差，这就是开普勒效应导致的频移。

在铁路旁边，注意听火车发出的汽笛声，就会发现：火车驶来的过程中汽笛声比较高亢，火车驶离的过程中汽笛声比较低沉。

3 多普勒效应实验的准备和调试

3.1 实验准备

微主在这个实验中，使用了三部手机，第一部手机作为声音发射机，第二部手机作为声音接收机，第三部手机作为录像拍照机。当前手机的更新换代很快，一个普通的三口之家，被淘汰但还能使用的智能手机一般不少于三五部。

真正的实验只需要两部手机即可。

3.2 设置信号发生器

在智能手机A中运行音频发生器Frequency Sound Generator，让手机发出1000Hz的蜂鸣音。

图2 音频发生器

值得说明的是，这款非常好用的音频发生器APP是浙江师范大学郑圆成老师于2018年向微主推荐的，同时还向焦作市创客教育名师工作室赠送了一部配套的音响。在此谢谢郑老师。

3.3 设置信号接收器

在智能手机B中运行吉他调音器gStrings，识别并读取智能手机A发出的1000Hz的蜂鸣音。

图3 吉他调音器

如此一来，智能手机A就是一台1000Hz的音频发生器，智能手机B就是一台音频接收测量器。

4 多普勒效应实验观察

将智能手机A、B并排放置在桌面上，调节信号发生器和信号接收器都处于工作状态。

此刻会发现，信号发生器发射的频率是1000Hz，信号接收器接收到的频率是1000Hz。因为两者处于相对静止的状态，没有发生多普勒效应，不存在频移现象。

4.1 观察者静止 声源运动

图4 声源移动 观察者静止

这时，手持信号发生器远离或靠近信号接收器，会看到信号接收器的示数在发生变化，即

声源与观察者相互远离时，观察者接收到的声音频率小于声源发出的频率；声源与观察者相互靠近时，观察者接收到的声音频率大于声源发出的频率。

视频1 声源移动 观察者静止

如果声源静止，观察者运动，看到的现象与前面一致。

4.2 观察者静止 声源转动

用丝带将声音发生器竖直悬挂，当声音发生器旋转起来的时候，会看到声音接收器的示数在发生忽大忽小的周期性变化。

图5 声源旋转，观察者静止

视频2 声源旋转 观察者静止

4.3 实验拓展

可以尝试各式各样的操作方法，只要声波发射器和声波接收器之间存在相对运动，就能观察到多普勒效应的发生。

5 心得

不管捣鼓什么东西，只要心里面时刻想着教学，时刻想着学生，都能将这东西与教学、与学生联系起来。一位沉醉于教学研究的物理教师，无论是一个饮料瓶，还是一根干树枝，都是十分趁手的实验用品。

在武侠小说《笑傲江湖》中，在独孤求败的墓志铭中，红色部分可以作为上述观点的佐证：

独孤求败 墓志铭

纵横江湖三十余载，杀尽仇寇，败尽英雄，天下更无抗手，无可柰何，惟隐居深谷，以雕为友。呜呼，生平求一败而不可得，诚寂寥难堪也。

凌厉刚猛，无坚不摧，弱冠前以之与河朔群雄争锋。

紫薇软剑，三十岁前所用，误伤义士不祥，乃弃之深谷。重剑无锋，大巧不工。四十岁前恃之横行天下。 四十岁后，不滞于物，草木竹石均可为剑。自此精修，渐进至无剑胜有剑之境。

剑魔独孤求败既无敌于天下，乃埋剑于斯。呜呼！群雄束手，长剑空利，不亦悲夫！

——笑傲江湖

| 创客焦作 | 

河南创客焦作是焦作市创客教育名师工作室的微信公众平台，以创客教育为主要研究方向，分享创客案例，讲解创新方法，启迪创意设计，开展科学探究，组织社会调查，指导论文写作，参加创客大赛和专利申请，发现、培养和成就一批具有创新潜质的学生。

河南公众号码：chuangkejiaozuo

河南名师博客：http://blog.sina.com.cn/updays