高中物理人教版4第十二章機(jī)械波5多普勒效應(yīng) 第12章56

5多普勒效應(yīng)6惠更斯原理學(xué)習(xí)目標(biāo)知識(shí)脈絡(luò)1.理解什么是多普勒效應(yīng)．了解多普勒效應(yīng)的應(yīng)用．(重點(diǎn))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(diǎn))4．知道波反射和折射的規(guī)律．(重點(diǎn))多普勒效應(yīng)及其應(yīng)用eq\a\vs4\al([先填空])1．多普勒效應(yīng)由于波源與觀察者之間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，使觀察者感到頻率改變的現(xiàn)象．2．多普勒效應(yīng)產(chǎn)生的原因(1)波源與觀察者相互靠近時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)觀察者的波峰(或密部)的數(shù)目增加，觀察者觀測(cè)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(yuǎn)離時(shí)，觀察到的頻率變?。?．多普勒效應(yīng)的應(yīng)用(1)測(cè)量汽車速度交通警車向行進(jìn)中的車輛發(fā)射頻率已知的超聲波，同時(shí)測(cè)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(cè)星球速度：測(cè)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(shí)發(fā)光的頻率對(duì)照，可得星球的速度．(3)測(cè)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(cè)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(shí)，聲源的頻率增大．(×)2．當(dāng)波源和觀察者向同一個(gè)方向運(yùn)動(dòng)時(shí)，一定會(huì)發(fā)生多普勒效應(yīng)．(×)3．火車的音調(diào)越來(lái)越高，說(shuō)明火車正從遠(yuǎn)處靠近觀察者．(√)eq\a\vs4\al([后思考])1．多普勒效應(yīng)能否產(chǎn)生與波源和觀察者間的距離有關(guān)系嗎？是不是距離越近，越容易發(fā)生多普勒效應(yīng)？【提示】能否發(fā)生多普勒效應(yīng)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(guān)系．2．火車進(jìn)站和出站時(shí)，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?yàn)槁曉聪鄬?duì)聽者是靜止的，路旁的人感到汽笛音調(diào)發(fā)生變化，是因?yàn)槁曉聪鄬?duì)聽者是運(yùn)動(dòng)的．eq\a\vs4\al([核心點(diǎn)擊])1．多普勒效應(yīng)的成因發(fā)生多普勒效應(yīng)時(shí)，一定是由于波源與觀察者之間發(fā)生了相對(duì)運(yùn)動(dòng)．2．相對(duì)位置變化與頻率的關(guān)系(規(guī)律)相對(duì)位置圖示結(jié)論波源S和觀察者A相對(duì)靜止，如圖所示f波源＝f觀察者，音調(diào)不變波源S不動(dòng)，觀察者A運(yùn)動(dòng)，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(yuǎn)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(dòng)，波源S運(yùn)動(dòng)，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(shí)喇叭發(fā)出聲音的頻率是300Hz，在汽車向你駛來(lái)又擦身而過(guò)的過(guò)程中，當(dāng)汽車向你駛來(lái)時(shí)，聽到喇叭聲音的頻率________于300Hz，當(dāng)汽車和你擦身而過(guò)后，聽到喇叭聲音的頻率________于300Hz【解析】當(dāng)汽車向你駛來(lái)時(shí)，兩者距離減小，你單位時(shí)間內(nèi)接收的聲波個(gè)數(shù)增多，頻率升高，將大于300Hz；當(dāng)汽車和你擦身而過(guò)后，兩者距離變大，你單位時(shí)間內(nèi)接收的聲波個(gè)數(shù)減少，頻率降低，將小于300Hz.【答案】大小2．下面說(shuō)法中正確的是()【導(dǎo)學(xué)號(hào)：23570068】A．發(fā)生多普勒效應(yīng)時(shí)，波源的頻率變化了B．發(fā)生多普勒效應(yīng)時(shí)，觀察者接收到的頻率發(fā)生了變化C．多普勒效應(yīng)是波源與觀察者之間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的D．多普勒效應(yīng)是由奧地利物理學(xué)家多普勒首先發(fā)現(xiàn)的E．多普勒效應(yīng)是牛頓首先發(fā)現(xiàn)的【解析】當(dāng)波源與觀察者之間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)發(fā)生多普勒效應(yīng)，選項(xiàng)C正確；發(fā)生多普勒效應(yīng)時(shí)，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(xiàng)A錯(cuò)誤，選項(xiàng)B正確；此現(xiàn)象是奧地利物理學(xué)家多普勒首先發(fā)現(xiàn)的，選項(xiàng)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(gè)已知頻率的超聲波，結(jié)果該超聲波被那輛轎車反射回來(lái)時(shí)，(1)此現(xiàn)象屬于()A．波的衍射 B．波的干涉C．多普勒效應(yīng) 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(jìn)，【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(yīng)，選項(xiàng)C正確．(2)因巡警車接收到的頻率低，由多普勒效應(yīng)知巡警車與轎車在相互遠(yuǎn)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(yīng)的判斷方法(1)確定研究對(duì)象．(波源與觀察者)(2)確定波源與觀察者是否有相對(duì)運(yùn)動(dòng)．若有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，能發(fā)生多普勒效應(yīng)，否則不發(fā)生．(3)判斷：當(dāng)兩者遠(yuǎn)離時(shí)，觀察者接收到的波的頻率變小，靠近時(shí)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(guò)程中，任一時(shí)刻振動(dòng)狀態(tài)都相同的介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)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(diǎn)，都可以看做發(fā)射子波的波源，其后任意時(shí)刻，這些子波在波前進(jìn)方向的包絡(luò)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(qiáng)度．無(wú)法說(shuō)明衍射現(xiàn)象與狹縫或障礙物大小的關(guān)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(guò)程中，一個(gè)波源變成了無(wú)數(shù)個(gè)波源，這種說(shuō)法正確嗎？【提示】不正確．波源只有一個(gè)，而子波的波源有無(wú)數(shù)個(gè)．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(guān)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(diǎn)擊])1．惠更斯原理的實(shí)質(zhì)：波面上的每一點(diǎn)(面源)都是一個(gè)次級(jí)球面波的子波源，子波的波速與頻率等于初級(jí)波的波速和頻率，此后每一時(shí)刻的子波波面的包絡(luò)面就是該時(shí)刻總的波動(dòng)的波面．其核心思想是介質(zhì)中任一處的波動(dòng)狀態(tài)是由各處的波動(dòng)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(shè)為球心的球面波在時(shí)刻t的波面為γ，按照惠更斯原理，γ面上每個(gè)點(diǎn)都是子波的波源．設(shè)各個(gè)方向的波速都是v，在Δt時(shí)間之后各子波的波面如圖中一個(gè)個(gè)的小圓所示，它的半徑是vΔt.γ′是這些子波波面的包絡(luò)面，它就是原來(lái)球面波的波面γ在時(shí)間Δt后的新位置．可以看出，新的波面仍是一個(gè)球面，它與原來(lái)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(shuō)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(lái)進(jìn)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(guān)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(shuō)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(shuō)法中正確的是()【導(dǎo)學(xué)號(hào)：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(jí)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(xiàng)A錯(cuò)誤、B正確；只有波線才表示波的傳播方向，選項(xiàng)C正確，D錯(cuò)誤．波面上的每一點(diǎn)(面源)都是一個(gè)次級(jí)球面波的子波源，子波的波速與頻率等于初級(jí)波的波速和頻率，E對(duì)．【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(shí)刻一個(gè)波面的位置．(2)在波面上取兩點(diǎn)或多個(gè)點(diǎn)作為子波的波源．(3)選一段時(shí)間Δt.(4)根據(jù)波速確定Δt時(shí)間后子波波面的位置．(5)確定子波在波前進(jìn)方向上的包絡(luò)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(huì)返回來(lái)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(shí)，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(duì)方說(shuō)話時(shí)，除了讓一只耳朵轉(zhuǎn)向?qū)Ψ?，還習(xí)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(diǎn)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(chǔ)上增加一個(gè)手的面積是為了增加波的反射面積來(lái)提高耳朵的接收能力．eq\a\vs4\al([核心點(diǎn)擊])1．回聲測(cè)距(1)當(dāng)聲源不動(dòng)時(shí)，聲波遇到了靜止障礙物會(huì)返回來(lái)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(shí)間相等，設(shè)經(jīng)過(guò)時(shí)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(dāng)聲源以速度v向靜止的障礙物運(yùn)動(dòng)或障礙物以速度v向靜止的聲源運(yùn)動(dòng)時(shí)，聲源發(fā)聲時(shí)障礙物到聲源的距離為s＝(v聲＋v)eq\f(t,2).(3)當(dāng)聲源以速度v遠(yuǎn)離靜止的障礙物或障礙物以速度v遠(yuǎn)離靜止的聲源時(shí)，聲源發(fā)聲時(shí)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(biāo)時(shí)會(huì)被反射回來(lái)．蝙蝠、海豚就是根據(jù)接收到反射回來(lái)的超聲波來(lái)確定障礙物或食物的位置，從而確定飛行或游動(dòng)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(wú)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(dòng)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(zhǎng)λ與波速和頻率有關(guān)．反射波與入射波，頻率同、波速同，故波長(zhǎng)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(zhǎng)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?chǔ)确矗溅热敫淖儲(chǔ)日邸佴热腩l率f不變不變波速v不變改變波長(zhǎng)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(zhǎng)________.【導(dǎo)學(xué)號(hào)：23570070】【解析】由于波的頻率由波源決定，因此波無(wú)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(zhǎng)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(zhǎng)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(guò)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(yùn)動(dòng)，【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(shí)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(yùn)動(dòng)的過(guò)程示意圖如圖所示，設(shè)聽到回聲的時(shí)間為t′，則v物t′＋v海t′＝2h代入數(shù)據(jù)