Der DOPPLER-Effekt ist nicht nur bei Krankenwagen, die sich mit hohen Geschwindigkeiten auf uns zu oder von uns weg bewegen gut hör- und messbar, sondern auch bei niedrigeren Geschwindigkeiten, die du z.B. per Rad erreichen kannst. Im folgenden Experiment zum Nachmachen für zwei Personen wird der DOPPLER-Effekt genutzt, um die Geschwindigkeit eines Radfahrers zu bestimmen.
Benötigtes Material
- zwei Smartphones mit der App phyphox
- ein Fahrrad
- eine gerade, ruhige Strecke ohne anderen Verkehr
Versuchsbeschreibung und Versuchsdurchführung im Video
Einstellungen der Smartphones
Smartphone 1: Tongenerator mit einer Frequenz von \(880\,\rm{Hz}\)
Smartphone 2: Dopplereffekt mit Grundfrequenz von \(880\,\rm{Hz}\), Frequenzspanne \(50\,\rm{Hz}\), Zeitintervall \(10\,\rm{ms}\)
Versuch 1: Bewegter Sender
In der ersten Variante hat der Radfahrer Smartphone 1 mit dem möglichst laut gestellten Tongenerator in der Tasche. Die zweite Person am Wegesrand hält Smartphone 2 möglichst ruhig, startet die Messung, wenn sich der Radfahrer nähert und stoppt die Messung wieder, wenn der Radfahrer vorbei ist. Alternativ könnt ihr auch die Zeitautomatik nutzen.
Versuchsauswertung
Die Auswertung erfolgt an Smartphone 2 unter dem Reiter Ergebnisse. Durch Antippen von Geschwindigkeit wird das Diagramm größer. In allem Rauschen an Datenpunkten solltet ihr einen kleinen Bereich finden, in dem der Graph relativ gleichmäßig von positiven Werten zu negativen Werten fällt. Nutzt hier das Messtool "Punkte wählen", toucht auf den Punkt, an dem die Geschwindigkeit zu sinken beginnt und zieht euren Finger bis zu dem Punkt, an dem in etwa eine gleichbleibende negative Geschwindigkeit erreicht ist. Die App legt eine Gerade ins Diagramm und zeigt dir die Differenz an. Diese Differenz musst du halbieren, also durch 2 teilen, um die Geschwindigkeit des Radfahrers in \(\rm{\frac{m}{s}}\) zu ermitteln. Zur Umrechnung in \(\rm{\frac{km}{h}}\) musst du einfach die Maßzahl mit \(3{,}6\) multiplizieren.
Versuch 2: Bewegter Empfänger
In dieser Variante hat der Radfahrer Smartphone 2 mit der Dopplereffekt-Funktion in der Tasche. Die Person am Wegesrand hat Smartphone 1 mit dem möglichst laut gestellten Tongenerator in der Hand.
Hinweis: Diese Variante ist meist ungenauer, da die Bewegung des Empfängers meist zu Störgeräuschen führt.
Versuchsauswertung
Die Auswertung kann über die ermittelten Frequenzunterschiede an Smartphone 2 unter dem Reiter Ergebnisse erfolgen. Es findet sich ein Bereich, in dem die Frequenz von etwas über der eingestellten Senderfrequenz \(f_0\) auf eine Frequenz unterhalb dieser fällt. Du ermittelst aus dem Diagramm z.B. die erhöhte Frequenz \(f_{\rm{zu}}\). Mit der Formel \(v=(\frac{f_{\rm{zu}}}{f_0}-1)\cdot 340\,\rm{\frac{m}{s}}\) ermittelst du in etwa deine gefahrene Geschwindigkeit.
Über phyphox
Die App phyphox wird von der RWTH Aachen entwickelt und steht allen Interessierten kostenlos zur Verfügung. phyphox ermöglicht es dir, mit den Sensoren deines Smartphones zu experimentieren, Messwerte aufzunehmen und auszuwerten.
Hier geht es zur Website des Projektes / phyphox für iOS / phyphox für Android