高中物理人教版4第十二章機械波5多普勒效應 第12章56

5多普勒效應6惠更斯原理學習目標知識脈絡1.理解什么是多普勒效應．了解多普勒效應的應用．(重點)2．了解波面和波線的概念．3．掌握惠更斯原理，理解用惠更斯原理解釋波的反射和折射現(xiàn)象．(難點)4．知道波反射和折射的規(guī)律．(重點)多普勒效應及其應用eq\a\vs4\al([先填空])1．多普勒效應由于波源與觀察者之間有相對運動，使觀察者感到頻率改變的現(xiàn)象．2．多普勒效應產(chǎn)生的原因(1)波源與觀察者相互靠近時，單位時間內(nèi)通過觀察者的波峰(或密部)的數(shù)目增加，觀察者觀測到的頻率大于波源的頻率，即觀察到的頻率變大．(2)波源與觀察者相互遠離時，觀察到的頻率變?。?．多普勒效應的應用(1)測量汽車速度交通警車向行進中的車輛發(fā)射頻率已知的超聲波，同時測量反射波的頻率，根據(jù)反射波頻率變化的多少就能知道車輛的速度．(2)測星球速度：測量星球上某些元素發(fā)出的光波的頻率．然后與地球上這些元素靜止時發(fā)光的頻率對照，可得星球的速度．(3)測血液流速向人體內(nèi)發(fā)射已知頻率的超聲波，超聲波被血管中的血液反射后又被儀器接收，測出反射波的頻率變化，就能知道血流的速度．eq\a\vs4\al([再判斷])1．聲源與觀察者相互靠近時，聲源的頻率增大．(×)2．當波源和觀察者向同一個方向運動時，一定會發(fā)生多普勒效應．(×)3．火車的音調(diào)越來越高，說明火車正從遠處靠近觀察者．(√)eq\a\vs4\al([后思考])1．多普勒效應能否產(chǎn)生與波源和觀察者間的距離有關系嗎？是不是距離越近，越容易發(fā)生多普勒效應？【提示】能否發(fā)生多普勒效應僅取決于波源和觀察者間的距離是否變化，與距離的大小沒有關系．2．火車進站和出站時，坐在火車上的乘客，能感受到汽笛的音調(diào)發(fā)生變化嗎？【提示】不能．坐在火車上的乘客感到汽笛聲未變，是因為聲源相對聽者是靜止的，路旁的人感到汽笛音調(diào)發(fā)生變化，是因為聲源相對聽者是運動的．eq\a\vs4\al([核心點擊])1．多普勒效應的成因發(fā)生多普勒效應時，一定是由于波源與觀察者之間發(fā)生了相對運動．2．相對位置變化與頻率的關系(規(guī)律)相對位置圖示結(jié)論波源S和觀察者A相對靜止，如圖所示f波源＝f觀察者，音調(diào)不變波源S不動，觀察者A運動，由A→B或A→C，如圖所示若靠近波源，由A→B，則f波源＜f觀察者，音調(diào)變高；若遠離波源，由A→C，則f波源＞f觀察者，音調(diào)變低觀察者A不動，波源S運動，由S→S2，如圖所示f波源＜f觀察者音調(diào)變高1．假如一輛汽車在靜止時喇叭發(fā)出聲音的頻率是300Hz，在汽車向你駛來又擦身而過的過程中，當汽車向你駛來時，聽到喇叭聲音的頻率________于300Hz，當汽車和你擦身而過后，聽到喇叭聲音的頻率________于300Hz【解析】當汽車向你駛來時，兩者距離減小，你單位時間內(nèi)接收的聲波個數(shù)增多，頻率升高，將大于300Hz；當汽車和你擦身而過后，兩者距離變大，你單位時間內(nèi)接收的聲波個數(shù)減少，頻率降低，將小于300Hz.【答案】大小2．下面說法中正確的是()【導學號：23570068】A．發(fā)生多普勒效應時，波源的頻率變化了B．發(fā)生多普勒效應時，觀察者接收到的頻率發(fā)生了變化C．多普勒效應是波源與觀察者之間有相對運動時產(chǎn)生的D．多普勒效應是由奧地利物理學家多普勒首先發(fā)現(xiàn)的E．多普勒效應是牛頓首先發(fā)現(xiàn)的【解析】當波源與觀察者之間有相對運動時會發(fā)生多普勒效應，選項C正確；發(fā)生多普勒效應時，觀察者接收到的頻率發(fā)生了變化，而波源的頻率并沒有改變，故選項A錯誤，選項B正確；此現(xiàn)象是奧地利物理學家多普勒首先發(fā)現(xiàn)的，選項D正確．【答案】BCD3．公路巡警開車在高速公路上以100km/h的恒定速度巡查，在同一車道上巡警車向前方的一輛轎車發(fā)出一個已知頻率的超聲波，結(jié)果該超聲波被那輛轎車反射回來時，(1)此現(xiàn)象屬于()A．波的衍射 B．波的干涉C．多普勒效應 D．波的反射(2)若該路段限速為100km/h，(3)若該轎車以20m/s的速度行進，【解析】(1)巡警車接收到的超聲波頻率比發(fā)出的低，此現(xiàn)象為多普勒效應，選項C正確．(2)因巡警車接收到的頻率低，由多普勒效應知巡警車與轎車在相互遠離，而巡警車車速恒定且在后面，可判斷轎車車速比巡警車車速大，故該轎車超速．(3)若該轎車以20m【答案】(1)C(2)見解析(3)見解析多普勒效應的判斷方法(1)確定研究對象．(波源與觀察者)(2)確定波源與觀察者是否有相對運動．若有相對運動，能發(fā)生多普勒效應，否則不發(fā)生．(3)判斷：當兩者遠離時，觀察者接收到的波的頻率變小，靠近時觀察者接收到的波的頻率變大，但波源的頻率不變．波面和波線惠更斯原理eq\a\vs4\al([先填空])1．波面：在波的傳播過程中，任一時刻振動狀態(tài)都相同的介質(zhì)質(zhì)點所組成的面．2．波線：與波面垂直指向傳播方向的直線，如圖12-5-1所示．圖12-5-13．波的分類(1)球面波：波面是球面的波．(2)平面波：波面是平面的波．4．惠更斯原理(1)內(nèi)容介質(zhì)中任一波面上的各點，都可以看做發(fā)射子波的波源，其后任意時刻，這些子波在波前進方向的包絡面就是新的波面．(2)現(xiàn)象解釋只能解釋衍射現(xiàn)象中波的傳播方向，不能解釋波的強度．無法說明衍射現(xiàn)象與狹縫或障礙物大小的關系．eq\a\vs4\al([再判斷])1．波面一定與波線垂直．(√)2．波面一定是平面．(×)3．波的傳播方向與波面平行．(×)eq\a\vs4\al([后思考])1．根據(jù)惠更斯原理可得出：波在傳播過程中，一個波源變成了無數(shù)個波源，這種說法正確嗎？【提示】不正確．波源只有一個，而子波的波源有無數(shù)個．2．波面一定是平面嗎？根據(jù)圖12-5-2和圖12-5-3思考波線與波面的關系是怎樣的．圖12-5-2圖12-5-3【提示】波面不一定是平面．波線與波面互相垂直，一定條件下由波面可確定波線，由波線可確定波面．eq\a\vs4\al([核心點擊])1．惠更斯原理的實質(zhì)：波面上的每一點(面源)都是一個次級球面波的子波源，子波的波速與頻率等于初級波的波速和頻率，此后每一時刻的子波波面的包絡面就是該時刻總的波動的波面．其核心思想是介質(zhì)中任一處的波動狀態(tài)是由各處的波動決定的．2．利用惠更斯原理解釋波的傳播：如圖12-5-4所示，以O為球心的球面波在時刻t的波面為γ，按照惠更斯原理，γ面上每個點都是子波的波源．設各個方向的波速都是v，在Δt時間之后各子波的波面如圖中一個個的小圓所示，它的半徑是vΔt.γ′是這些子波波面的包絡面，它就是原來球面波的波面γ在時間Δt后的新位置．可以看出，新的波面仍是一個球面，它與原來球面的半徑之差為vΔt，表示波向前傳播了vΔt的距離．圖12-5-4圖12-5-5與此類似，可以用惠更斯原理說明平面波的傳播(如圖12-5-5所示)．3．惠更斯原理的局限性：光的直線傳播、反射、折射等都能用此來進行較好的解釋．但是，惠更斯原理是比較粗糙的，用它不能解釋衍射現(xiàn)象與狹縫或障礙物大小的關系，而且由惠更斯原理推知有倒退波的存在，而倒退波顯然是不存在的．4．下列說法中正確的是()A．惠更斯原理能解釋波的衍射現(xiàn)象B．聲波是球面波C．只有橫波才能形成球面波D．只有縱波才能形成球面波E．橫波和縱波都能形成球面波【答案】ABE5．下列說法中正確的是()【導學號：23570069】A．只有平面波的波面才與波線垂直B．任何波的波線與波面都相互垂直C．任何波的波線都表示波的傳播方向D．有些波的波面表示波的傳播方向E．子波的波速與頻率等于初級波的波速和頻率【解析】不管是平面波，還是球面波，其波面與波線均垂直，選項A錯誤、B正確；只有波線才表示波的傳播方向，選項C正確，D錯誤．波面上的每一點(面源)都是一個次級球面波的子波源，子波的波速與頻率等于初級波的波速和頻率，E對．【答案】BCE利用惠更斯原理解釋波的傳播的一般步驟(1)確定一列波某時刻一個波面的位置．(2)在波面上取兩點或多個點作為子波的波源．(3)選一段時間Δt.(4)根據(jù)波速確定Δt時間后子波波面的位置．(5)確定子波在波前進方向上的包絡面，即為新的波面．(6)由新的波面可確定波線及其方向．波的反射和折射eq\a\vs4\al([選填空])1．反射現(xiàn)象波遇到介質(zhì)界面會返回來繼續(xù)傳播的現(xiàn)象．2．折射現(xiàn)象波從一種介質(zhì)射入另一種介質(zhì)時，波的傳播方向發(fā)生改變的現(xiàn)象．eq\a\vs4\al([再判斷])1．入射波的波線與界面的夾角叫入射角．(×)2．反射波的波線與法線的夾角叫做反射角．(√)3．反射波的波線，折射波的波線與界面的法線在同一平面內(nèi)．(√)eq\a\vs4\al([后思考])人們聽不清對方說話時，除了讓一只耳朵轉(zhuǎn)向?qū)Ψ?，還習慣性地把同側(cè)的手附在耳旁，如圖12-5-6這樣做是利用聲波的什么特點提高耳朵的接收能力？圖12-5-6【提示】在耳廓原有形狀、面積的基礎上增加一個手的面積是為了增加波的反射面積來提高耳朵的接收能力．eq\a\vs4\al([核心點擊])1．回聲測距(1)當聲源不動時，聲波遇到了靜止障礙物會返回來繼續(xù)傳播，由于反射波與入射波在同一介質(zhì)中傳播速度相同，因此，入射波和反射波在傳播距離一樣的情況下，用的時間相等，設經(jīng)過時間t聽到回聲，則聲源距障礙物的距離為s＝v聲eq\f(t,2).(2)當聲源以速度v向靜止的障礙物運動或障礙物以速度v向靜止的聲源運動時，聲源發(fā)聲時障礙物到聲源的距離為s＝(v聲＋v)eq\f(t,2).(3)當聲源以速度v遠離靜止的障礙物或障礙物以速度v遠離靜止的聲源時，聲源發(fā)聲時障礙物到聲源的距離s＝(v聲－v)eq\f(t,2).2．超聲波定位蝙蝠、海豚能發(fā)出超聲波，超聲波遇到障礙物或捕食目標時會被反射回來．蝙蝠、海豚就是根據(jù)接收到反射回來的超聲波來確定障礙物或食物的位置，從而確定飛行或游動方向．3．波的反射、折射現(xiàn)象中各量的變化(1)頻率(f)由波源決定：故無論是反射波還是折射波都與入射波的頻率相等，即波源的振動頻率相同．(2)波速(v)由介質(zhì)決定：故反射波與入射波在同一介質(zhì)中傳播，波速不變，折射波與入射波在不同介質(zhì)中傳播，波速變化．(3)據(jù)v＝λf知，波長λ與波速和頻率有關．反射波與入射波，頻率同、波速同，故波長相同，折射波與入射波在不同介質(zhì)中傳播，頻率同，波速不同，故波長不同．具體見下表所示．波現(xiàn)象波的反射波的折射傳播方向改變θ反＝θ入改變θ折≠θ入頻率f不變不變波速v不變改變波長λ不變改變6．一列聲波從空氣中傳入水中，已知水中聲速較大，則聲波頻率________，波長________.【導學號：23570070】【解析】由于波的頻率由波源決定，因此波無論在空氣中還是在水中頻率都不變．又因波在水中速度較大，由公式v＝λf可得，波在水中的波長變大．【答案】不變變大7．某物體發(fā)出的聲音在空氣中的波長為1m，波速為340m/s(1)該波的頻率為________Hz，在海水中的波速為________m/s.(2)若物體在海面上發(fā)出的聲音經(jīng)過s聽到回聲，則海水深為多少？(3)若物體以5m/s的速度由海面向海底運動，【解析】(1)由f＝eq\f(v,λ)得f＝eq\f(340,1)Hz＝340Hz，因波的頻率不變，則在海水中的波速為v海＝λ′f＝×340m/s＝1530m(2)入射聲波和反射聲波用時相同，則海水深為h＝v海eq\f(t,2)＝1530×eq\f,2)m＝382.5m.(3)物體與聲音運動的過程示意圖如圖所示，設聽到回聲的時間為t′，則v物t′＋v海t′＝2h代入數(shù)據(jù)