Het Doppler-effect: waarom klinkt een sirene anders als hij nadert?

Niveauaanduiding: VMBO-T, leerjaar 3 of 4 — passend bij het onderdeel Geluid en golven (toonhoogte, frequentie, golflengte).

Inleiding

U kent het vast: een ziekenauto raast voorbij met een loeiende sirene. Als de auto nadert, klinkt de sirene hoger dan wanneer hij weer wegrijdt. De toon daalt op het moment dat de auto passeert. Dit verschijnsel heet het Doppler-effect, naar de Oostenrijkse fysicus Christian Doppler die het in 1842 beschreef.

Het Doppler-effect heeft niets te maken met het geluid zelf dat de sirene maakt. De sirene produceert de hele tijd dezelfde toon. Het is de beweging van de bron die de ontvanger een andere frequentie laat horen.

In dit practicum onderzoekt u het Doppler-effect zelf, door een toonbron (een smartphone) in een cirkel te zwaaien en de frequentieverandering te meten met een tweede telefoon.

Leerdoelen

Na afloop van dit practicum kunt u:

• het Doppler-effect in eigen woorden beschrijven;
• uitleggen waarom een naderende geluidsbron een hogere toon geeft dan een verwijderende;
• het Doppler-effect meten met de Phyphox-app;
• voorbeelden geven van het Doppler-effect in het dagelijks leven.

Achtergrondinformatie

Geluid verplaatst zich in alle richtingen als drukgolven door de lucht. De toonhoogte die een luisteraar hoort, hangt af van hoeveel drukgolven er per seconde zijn oor bereiken — de frequentie. Bij een stilstaande bron is die frequentie overal gelijk.

Beweegt de bron naar de luisteraar toe, dan worden de golven voor de bron als het ware samengedrukt: er passen meer golven per seconde voorbij het oor. De luisteraar hoort een hogere toon. Beweegt de bron weg, dan worden de golven uitgerekt en hoort de luisteraar een lagere toon.

De Phyphox-app heeft een experiment dat de frequentieverandering van een bewegende toonbron meet en automatisch de bijbehorende snelheid berekent.

Benodigde laboratoriumapparatuur

• twee smartphones met de Phyphox-app;
• een stuk touw van circa 1,5 meter;
• een rustige ruimte met weinig achtergrondlawaai;
• beschermhoes of stevige sok om telefoon A in te wikkelen.

Veiligheid

Wikkel telefoon A stevig in een beschermhoes of sok voordat u hem aan het touw bevestigt. Controleer de knoop goed. Sla nooit in de richting van klasgenoten of meubilair. Voer de zweefproef uit in een ruimte met voldoende vrije ruimte van minimaal 2 meter rondom. Houd het volume van de toonbron redelijk — langdurig luid geluid is niet nodig.

Werkwijze

Voorbereiding

1. Open op telefoon A de module Tone Generator (onder Acoustics). Stel de frequentie in op 1000 Hz. Zet het volume op driekwart.
2. Open op telefoon B de module Doppler Effect (onder Acoustics). Vul als basisfrequentie 1000 Hz in en als verwacht bereik 50 Hz.
3. Bevestig telefoon A voorzichtig met het touw. Wikkel de telefoon in een zachte beschermhoes.

Uitvoering

1. Start de Tone Generator op telefoon A.
2. Leg telefoon B op een tafel of stoel op minimaal 1 meter afstand.
3. Start de meting op telefoon B.
4. Sving telefoon A langzaam in een cirkel van circa 1 meter straal rondom uzelf. Houd de beweging zo gelijkmatig mogelijk.
5. Laat de meting 10 tot 15 seconden lopen terwijl u blijft ronddraaien.
6. Stop de meting en bekijk de grafiek op telefoon B: u ziet de frequentie afwisselend stijgen en dalen terwijl de toonbron naar telefoon B toe en er weer van weg beweegt.

Verwerkingsvragen

1. Beschrijf in uw eigen woorden wat u zag in de frequentiegrafiek van telefoon B. Wanneer was de frequentie het hoogst?
2. Noem drie voorbeelden van het Doppler-effect in het dagelijks leven.
3. Stel: de toonbron beweegt helemaal niet. Wat verwacht u dan voor de frequentiegrafiek?
4. De toon van een passerende trein klinkt hoger als hij nadert dan wanneer hij wegrijdt. Toch verandert de trein zijn toon niet. Hoe verklaart u dat?
5. Phyphox berekent uit de frequentieverandering ook de snelheid van de toonbron. Welke snelheid toont de app? Is dat realistisch voor een arm dat rondcirkelt?

Uitwerkingen

1. Frequentiegrafiek:
   De frequentie stijgt op het moment dat telefoon A naar telefoon B toe beweegt (nadering) en daalt wanneer telefoon A van telefoon B weg beweegt (verwijdering). De grafiek heeft een golvend patroon: afwisselende pieken (nadering) en dalen (verwijdering) met een ritme dat overeenkomt met de omlooptijd.
2. Voorbeelden Doppler-effect:
   Mogelijke antwoorden: ziekenwagen of politieauto met sirene, langsrijdende auto of trein, vliegtuig dat overvliegt, raceauto op een circuit, of een bromfiets die passeert.
3. Stilstaande toonbron:
   Bij geen beweging is er geen frequentieverschuiving. De frequentiegrafiek is een horizontale rechte lijn op 1000 Hz.
4. Passerende trein:
   De trein produceert de hele tijd dezelfde toon. Maar terwijl hij nadert, bereiken er meer geluidsgolven per seconde het oor van de luisteraar — de toon klinkt hoger. Op het moment van passeren is de frequentie gelijk aan de bronfrequentie. Daarna worden de golven uitgerekt en daalt de waargenomen toon.
5. Snelheid via Phyphox:
   De snelheid van een arm dat rondcirkelt over een straal van 1 meter is afhankelijk van de omlooptijd. Bij een omlooptijd van circa 2 seconden is de baansnelheid v = 2πr/T = 2π × 1/2 ≈ 3,1 m/s ≈ 11 km/h. Dat is een realistisch loopachtig tempo voor een rondgaande arm. De app toont de component van de snelheid in de richting van de detector, die varieert van +v tot −v.

Achtergrond

Christian Doppler (1803–1853) beschreef het naar hem vernoemde effect oorspronkelijk voor licht van sterren: sterren die van ons af bewegen zouden roder lijken, sterren die naderen blauwer. Dit bleek later correct. De roodverschuiving van verre sterrenstelsels — ontdekt door Edwin Hubble in de jaren twintig van de vorige eeuw — is het bewijs dat het heelal uitdijt. Het is hetzelfde effect als de passerende sirene, maar dan met lichtgolven in plaats van geluidsgolven.

Ook radarcontrole op snelwegen en medische echografie maken gebruik van het Doppler-effect: de frequentieverandering van de teruggekaatste golf verraadt de snelheid van de auto of het bloed.

Benodigde laboratoriumapparatuur van Labvakhandel

Labvakhandel levert materialen voor in het laboratorium en practicum.

Bekijk het assortiment practicum artikelen of neem contact op voor advies.

Meer practicumopdrachten

Ontdek alle practica in de Labvakhandel kennisbank — voor biologie, scheikunde en natuurkunde.