Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение «Гимназия №2 «Квантор» Итоговый исследовательский проект по физике «Звуковые волны и Эффект Доплера» тема Подготовил: Погребняк Егор Игоревич Ученик 11 «Б» класса Руководитель: Колосова Марина Юрьевна, учитель физики Коломна 2022 0 Оглавление Вступление ...................................................................................................2 Проблема ............................................................................................................................................ 2 Гипотеза.............................................................................................................................................. 2 Цели проекта...................................................................................................................................... 2 Задачи проекта................................................................................................................................... 2 Результат проекта .............................................................................................................................. 2 Введение .......................................................................................................3 История ........................................................................................................3 Сущность Эффекта Доплера ......................................................................4 Виды формул, связанных с Эффектом Доплера ......................................5 1. Механические волны .................................................................................................................. 5 2. Электромагнитные волны ........................................................................................................... 6 Применения Эффекта Доплера в повседневной жизни ..........................6 1) С помощью эффекта Доплера измеряется: .............................................................................. 6 2) Доплеровский радар: ..................................................................................................................... 7 Эксперимент ................................................................................................8 Источники ....................................................................................................9 1 Вступление В данном проекте я рассматриваю звуковые волны и Эффект Доплера, а именно его возможности его проявления и применения в нашем мире! Актуальность проекта заключается в том, что в нём показана реальность проявления Эффекта Доплера и также его применения в различных средах. Проблема значимость Эффекта Доплера в развитии науки и техники. Гипотеза на основе Эффекта Доплера возможно изучение воздействия различного типа излучённых и отражённых волн в разной среде, с твёрдыми и жидкими веществами, в условиях атмосферы Земли. Цели проекта Исследовать историю открытия эффекта Доплера, его влияния на изучение процессов, происходящих на Земле. Понять, что происходит в действительности и описать все происходящие процессы. Произвести собственные измерения эффекта Доплера и выводы. Задачи проекта Дать объяснения понятия Звук и Звуковой волны. Построить логическую цепочку рассуждения для наглядного представления картины распространения звукового сигнала в воздушной среде. Рассмотреть происхождение, и дать объяснение эффекту Доплера. (Сделать выводы по эффекту Доплера) Результат проекта В конце проекта я объясню реальную причину проявления эффекта Доплера и его применения в современном мире. 2 Введение Начнём с понятия звуковых волн — это распространяющиеся в упругих средах (газах, жидкостях и твердых телах) механические колебания, воспринимаемые органами слуха. Например, струна музыкального инструмента передает свои колебания окружающим частицам воздуха, а достигнув уха, вызовут колебания барабанной перепонки. Мы услышим звук. Человеческое ухо способно воспринимать колебания с частотой примерно от 17 до 20000 колебаний в секунду. Такие колебания называются звуковыми, или акустическими. При распространении волны частицы среды не движутся вместе с волной, а колеблются около своих положений равновесия. Вместе с волной от частицы к частице среды передаются лишь состояние колебательного движения и его энергия. Поэтому основным свойством всех волн, независимо от их природы, является перенос энергии без переноса вещества. Длина волны или частота наблюдаемого света может не совпадать с соответствующими длинами волн или частотами света, излучаемого атомом. Точнее, воспринимаемая частота или длина волны зависит не только от внутриатомных процессов, их обусловливающих, но также и от той системы координат, с которой связаны наблюдающие аппараты. Частота волнового процесса будет различной, если её оценивать с помощью аппаратов, неподвижных относительно источника или движущихся по относительно источника или движущихся по отношению к нему. Это замечание впервые было сделано Доплером (1842 г.), который указал, что воспринимаемая частота становится больше при сближении источника и приёмного прибора и меньше при их удалении друг от друга. Рассуждения Доплера применимы ко всем волновым явлениям – оптическим, акустическим и иным. История В мае 1842 года Кристиан Доплер опубликовал работу, где, сформулировал принцип, согласно которому «при относительном движении источника и приемника излучения регистрируемая частота излучения зависит от скорости их движения». Впервые этот эффект был подтвержден экспериментально в акустическом диапазоне волн в 1845 году английским ученым Байсом Бэллотом. Поставленный им опыт состоял в следующем. На платформе, сцепленной с движущимся локомотивом, находился музыкант, играющий на одной ноте. Второй музыкант с абсолютным слухом стоял на перроне вокзала. Он 3 констатировал, что, когда поезд приближался к станции, труба звучала на полтона выше; когда поезд удалялся от станции этому музыканту казалось, что труба играет на полтона ниже. Как и ожидалось, кажущаяся высота звука оказалась в прямой зависимости от скорости поезда, что, собственно, и предсказывалось законом Доплера. Сущность Эффекта Доплера Эффект Доплера — изменение длины электромагнитной волны, вызванное движением источника, которую регистрирует приёмник. Его легко наблюдать на практике, когда мимо наблюдателя проезжает машина с включённой сиреной. Предположим, сирена выдаёт какой-то определённый тон, и он не меняется. Когда машина не движется относительно наблюдателя, тогда он слышит именно тот тон, который издаёт сирена. Но если машина будет приближаться к наблюдателю, то частота звуковых волн увеличится (а длина уменьшится), и наблюдатель услышит более высокий тон, чем на самом деле издаёт сирена. В тот момент, когда машина будет проезжать мимо наблюдателя, тот услышит тот самый тон, который на самом деле издаёт сирена. А когда машина проедет дальше и будет уже отдаляться, а не приближаться, то наблюдатель услышит более низкий тон, вследствие меньшей частоты (и, соответственно, большей длины) звуковых волн. Рисунок 1.1- Распространение звуковых волн. Для волн (например, звука), распространяющихся в какой-либо среде, нужно принимать во внимание движение как источника, так и приёмника волн относительно этой среды. Для электромагнитных волн (например, света), для распространения которых не нужна никакая среда, имеет значение только относительное движение источника и приёмника. 4 Виды формул, связанных с Эффектом Доплера 1. Механические волны Если источник волн движется относительно среды, то расстояние между гребнями волн (длина волны) зависит от скорости и направления движения. Если источник движется по направлению к приёмнику, то есть догоняет испускаемые им волны, то длина волны уменьшается. Если удаляется — длина волны увеличивается. (1.1) где ω0 — частота, с которой источник испускает волны; c — скорость распространения волн в среде; v — скорость источника волн относительно среды (положительная, если источник приближается к приёмнику и отрицательная, если удаляется) Для вычисления частоты, регистрируемой неподвижным приёмником, используется формула: (1.1) Для вычисления частоты неподвижного источника и движущегося приёмника используется формула: (1.3) где u — скорость приёмника относительно среды (положительная, если он движется по направлению к источнику). Подставив значение частоты из формулы (1.1) в формулу (1.2), получим формулу для общего случая [1]. (1.4) 5 2. Электромагнитные волны Для электромагнитных волн рассматривается релятивистский Эффект Доплера. Релятивистский — это термин, который в физической науке употребляется для обозначения явлений, зависимых от скорости, близкой к скорости света. В случае электромагнитных волн формулу для частоты выводят из уравнений специальной теории относительности. Так как для распространения электромагнитных волн не требуется материальная среда, можно рассматривать только относительную скорость источника и наблюдателя: (1.5) где с — скорость света, v — относительная скорость приёмника и источника (положительная в случае их удаления друг от друга), θ — угол между волновым вектором и скоростью источника. Применения Эффекта Доплера в повседневной жизни 1) С помощью эффекта Доплера измеряется: 1. сноса для определения вектора путевой скорости 2. скорости перемещения твёрдых тел 3. скорости потока жидких или сыпучих сред 4. поток жидкости 5. изменение частоты сигнала Работа доплеровских измерителей основана на использовании эффекта Доплера в режиме непрерывного излучения. Сущность эффекта Доплера заключается в том, что частота колебаний fд , принятых от какого-либо источника, оказывается не равной частоте колебаний, излученных этим источником, если источник и приемник колебании перемещаются друг относительно друга. 6 Изменение частоты тем больше, чем больше скорость движения приемника и передатчика относительно друг друга, причем если источник приближается к приемнику, то принимаемая частота будет выше излученной, и наоборот. Такой же эффект имеет место, если передатчик и приемник неподвижны друг относительно друга и находятся на летательном аппарате (ЛА), а колебания, принимаются после отражения от поверхности земли. 2) Доплеровский радар: Эффект Доплера очень часто используется в так называемом доплеровском радаре – радар, который измеряет изменение частоты сигнала, отражённого от объекта. По изменению частоты вычисляется радиальная составляющая скорости объекта (проекция скорости на прямую, проходящую через объект и радар). Доплеровские радары могут применяться в самых разных областях: для определения скорости летательных аппаратов, кораблей, автомобилей, гидрометеоров (например, облаков), морских и речных течений, а также других объектов. 3) Применения в Астрономии: 1. Рисунок 1.2 - Доказательство вращения Земли вокруг Солнца с помощью эффекта Доплера 7 2. По смещению линий спектра определяют лучевую скорость движения звёзд, галактик и других небесных тел 3. С помощью эффекта Доплера по спектру небесных тел определяется их лучевая скорость. Изменение длин волн световых колебаний приводит к тому, что все спектральные линии в спектре источника смещаются в сторону длинных волн, если лучевая скорость его направлена от наблюдателя (красное смещение), и в сторону коротких, если направление лучевой скорости — к наблюдателю (фиолетовое смещение). Если скорость источника мала по сравнению со скоростью света (300 000 км/с), то лучевая скорость равна скорости света, умноженной на изменение длины волны любой спектральной линии и делённой на длину волны этой же линии в неподвижном источнике. Эксперимент … 8 Источники 1. История - https://www.bestreferat.ru/referat-279238.html 2. Немножко вступления - https://sowa-ru.com/item-work/2019-261/ 3. Основная часть - https://sprosi.xyz/works/kursovaya-rabota-po-temeispolzovanie-effekta-doplera-dlya-izmereniya-fizicheskih-velichin/ 9
