НЕСФ 2018, Специална тема — Задача 3. Ефект на Доплер
Национално есенно състезание по физика, гр. Сандански, 1-3 ноември 2018 г. — Специална тема · 1 ноември 2018 г. · 11 т.
Условие
Част 1
На фиг. 5 е показан монохроматичен източник на звук (A), който се движи праволинейно с постоянна скорост v. Векторът на скоростта е насочен под ъгъл θ спрямо правата, свързваща източника с приемник (B). Източникът излъчва звук с постоянна честота f. Ефектът на Доплер се изразява в това, че честотата , регистрирана от приемника, се различава от излъчената честота f. Скоростта на звука е c.

а) Изведете формула за честотата като функция на f, v, c и . [2 т.]
Част 2
Звуковият източник преминава край приемника. Началното разстояние, от което той потегля, е огромно, така че първоначално ъгълът θ е приблизително нула. На фиг. 6 е показана регистрираната честота като функция на времето. Скоростта на звука е 340 m/s. Изведете аналитичен и числен израз за:

б) скоростта v и честотата f. [1 т.]
в) най-малкото разстояние d между източника и приемника. [3 т.]
Част 3
Човек се е скрил под скална козирка с цел да се предпази от проливен дъжд. В даден момент козирката рухва и човекът започва да крещи с честота KHz. Земното ускорение е g = 10 m/s. Изведете формула за:
г) честотата , която „чува“ козирката. [2,5 т.]
д) честотата на отразения от козирката звук, който чува човекът. [2,5 т.]
Решение
Част 1
а) От значение е компонентата на скоростта, насочена към приемника B. Скоростта на звука в средата е винаги и не зависи от скоростта на източника. Ефектът е, че се намалява дължината на вълната, тъй като източникът „гони“ вълната, която излъчва. Редуцираната дължина на вълната в посока на приемника е [1 т.]. Ефектът е, че честотата нараства: . [1 т.]
Част 2
б) За приближаващ се източник , при което , а за отдалечаващ се източник имаме , при което . Така намираме m/s [0.5 т.], Hz. [0.5 т.]
в) Означаваме оста, по която се движи източникът, с x, като x = 0 съответства на точката на максимална близост (и разстояние d). При имаме . Така намираме [1 т.]. Смятаме производна по времето и заместваме x = 0: [1 т.]. От фигурата определяме производната в центъра и намираме m. [1 т.]

Част 3
г) Козирката се движи към звуковата вълна, при което ефективно скоростта на звука се увеличава на [1 т.]. Така намираме честотата, с която козирката „чува“ звука: . [1.5 т.]
д) Падащата козирка отразява звук с честота . Използваме резултата от подточка а) на част 2, за да намерим честотата, с която човекът чува отразения от козирката звук . [2.5 т.]
Оригинал в Архива: esenni_2018_STproblems.pdf · официални решения: esenni_2018_STsolutions.pdf