第4、5節(jié) 波的干涉 多普勒效應

第4、5節(jié)波的干涉

多普勒效應核心素養(yǎng)導學物理觀念(1)知道波的疊加、波的干涉現象。(2)了解多普勒效應?？茖W思維(1)學會分析波的干涉問題。(2)能夠解釋生活中的多普勒現象。科學探究通過實驗觀察水波的干涉，探究發(fā)生干涉的條件和干涉圖樣的特點?？茖W態(tài)度與責任能體會物理學的技術應用對日常生活的影響，認識到科學、技術、社會和環(huán)境之間存在的相互聯系。一、波的干涉1．波的疊加(1)波的獨立性原理：兩列波相遇后彼此穿過，仍然_____各自的________，繼續(xù)傳播。(2)波的疊加原理：在幾列波重疊的區(qū)域里，介質的質點_____參與這幾列波引起的振動，質點的位移等于這幾列波單獨傳播時引起的位移的_______。2．波的干涉(1)定義：______相同、_______恒定、__________相同的兩列波疊加時，某些區(qū)域的振動總是______，某些區(qū)域的振動總是______的現象。頻率運動特征同時矢量和相位差振動方向加強減弱保持(2)干涉圖樣：波的干涉形成的穩(wěn)定圖樣。(3)穩(wěn)定干涉條件①兩列波的頻率必須______。②兩個波源的相位差必須___________。(4)干涉的普遍性：一切波都能夠發(fā)生干涉，干涉是_____特有的現象。相同保持不變波二、多普勒效應1．多普勒效應：波源與觀察者互相靠近或者互相遠離時，觀察者接收到的波的______發(fā)生變化的現象。2．多普勒效應產生的原因：當波源與觀察者相對靜止時，1s內通過觀察者的波峰(或密部)的數目是_____的，觀測到的頻率______波源振動的頻率。當波源與觀察者相互接近時，1s內通過觀察者的波峰(或密部)的數目_____，觀測到的頻率______；反之，當波源與觀察者互相遠離時，觀測到的頻率_____。頻率一定等于增加增加變小3．多普勒效應的應用(1)測車輛速度：交警向行進中的車輛發(fā)射_________的超聲波，同時測量_______的頻率，根據反射波頻率____________就能知道車輛的速度。(2)測血流速度：向人體內發(fā)射_________的超聲波，超聲波被血管中的血流____后又被儀器接收，測出反射波的_________就可得血流速度。(3)測星球速度：測量星球上某些元素發(fā)出的光波的_____，然后與地球上這些元素_____時發(fā)光的頻率對照，可得星球的速度。頻率已知反射波變化的多少頻率已知反射頻率變化頻率靜止1．兩列水波的干涉圖樣如圖所示，觀察其現象，判斷下列說法是否正確。(1)兩列水波的頻率一定相同。

()(2)振動加強點始終處于波峰。

()(3)同一位置振動加強與振動減弱交替出現。

()(4)振動加強區(qū)與振動減弱區(qū)相互間隔。

()(5)振動加強區(qū)的位移可以為零。

()√××√√2．我國已經進入高鐵時代，普通列車的時代已成過去。如圖所示，列車勻速駛過，對于站在路旁的護路工人師傅，列車由遠而近鳴喇叭時他會聽到喇叭聲的音調比較高，遠去的列車鳴喇叭時他會聽到喇叭聲的音調比較低。請思考這是什么現象？具體分析產生這種現象的原因？提示：這屬于多普勒現象，當列車靠近觀察者時，頻率增加，音調升高；當列車遠離觀察者時，頻率減小，音調降低。新知學習(一)|波的干涉現象的分析[任務驅動]蟋蟀是利用了一雙翅膀的振動發(fā)出聲音，某同學圍繞蟋蟀走了一圈。(1)他聽到的聲音有什么變化？(2)試從他聽到的聲音判斷屬于什么現象？提示：(1)他會聽到忽高忽低的蟋蟀聲。(2)這是聲波的干涉現象，兩翅膀的振動頻率、振幅相同，形成相干波源，在周圍出現振動加強與減弱的區(qū)域。

[重點釋解]1．關于干涉的條件(1)波的疊加是無條件的，任何頻率的兩列波在空間相遇都會疊加。但穩(wěn)定干涉圖樣的產生是有條件的，必須是兩列同類的波，并且波的頻率相同、振動方向在同一直線上、相位差恒定。(2)如果兩列波的頻率不相等，在同一種介質中傳播時其波長就不相等，這樣不能形成穩(wěn)定的振動加強點和減弱點。因此我們就看不到穩(wěn)定的干涉圖樣，只能是一般的振動疊加現象。2．關于加強點(區(qū))和減弱點(區(qū))的理解加強點在某些點兩列波引起的振動始終加強，質點的振動最劇烈，振動的振幅等于兩列波的振幅之和，A＝A1＋A2減弱點在某些點兩列波引起的振動始終相互削弱，質點振動的振幅等于兩列波的振幅之差，A＝|A1－A2|，若兩列波振幅相同，質點振動的合振幅就等于零3．干涉圖樣及其特征(1)干涉圖樣：如圖所示。(2)特征①加強區(qū)和減弱區(qū)的位置固定不變。②加強區(qū)始終加強，減弱區(qū)始終減弱(加強區(qū)與減弱區(qū)不隨時間變化)。③加強區(qū)與減弱區(qū)互相間隔。[典例體驗][典例]

(2023·全國甲卷)分別沿x軸正向和負向傳播的兩列簡諧橫波P、Q的振動方向相同，振幅均為5cm，波長均為8m，波速均為4m/s。t＝0時刻，P波剛好傳播到坐標原點，該處的質點將自平衡位置向下振動；Q波剛好傳到x＝10m處，該處的質點將自平衡位置向上振動。經過一段時間后，兩列波相遇。(1)在給出的坐標圖上分別畫出P、Q兩列波在t＝2.5s時刻的波形圖(P波用虛線，Q波用實線)；(2)求出圖示范圍內的介質中，因兩列波干涉而振動振幅最大和振幅最小的質點的平衡位置。[解析]

(1)根據Δx＝vt得Δx＝4×2.5m＝10m可知t＝2.5s時，P波剛好傳播到x＝10m處，Q波剛好傳播到x＝0處，根據“上下坡法”可得波形圖如圖所示。振動加強點與振動減弱點的判斷方法/方法技巧/[針對訓練]1．

兩波源S1、S2在水槽中形成的波形如圖所示，其中實線表示

波峰，虛線表示波谷，則

(

)A．在兩波相遇的區(qū)域中會產生穩(wěn)定干涉B．在兩波相遇的區(qū)域中不會產生穩(wěn)定干涉C．a點的振動始終加強D．a點的振動始終減弱解析：由題圖可知，兩列波的波長不相等，由v＝λf，知f不相等，不滿足波產生穩(wěn)定干涉的條件，故B正確。答案：B

答案：C3．

如圖所示為兩列相干水波在t＝0時刻的疊加情況，其中實線

表示波峰，虛線表示波谷。若兩列波的振幅均保持5cm不變，

波速和波長分別為1m/s和0.5m，C點是BD連線的中點。則下

列說法正確的是

(

)A．A、D點振動始終加強，B點振動始終減弱B．C點始終保持靜止不動C．t＝0時刻，A、B兩點的豎直高度差為10cmD．在t＝0至t＝0.25s的時間內，B點通過的路程為20cm答案：D

新知學習(二)|多普勒效應[任務驅動]美國霍普金斯大學利用多普勒效應對蘇聯第一顆人造衛(wèi)星進行了跟蹤試驗。科學家發(fā)現，當衛(wèi)星向近地點運動時返回的信號頻率增加，衛(wèi)星向遠地點運動時返回的信號頻率降低。(1)波源的頻率由誰決定？(2)觀察者接收到的頻率與哪些因素有關？提示：(1)由波源本身決定。(2)觀察者接收到的頻率與波源的頻率、波源與觀察者的相對運動有關。

[重點釋解]1．相對位置變化與頻率的關系2．成因歸納根據以上分析可知，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。[解析]由題意可知，聲源靠近A處的人，由多普勒效應可知，A處的人接收到聲波的頻率變大，即f1＞f；聲源遠離B處的人，同理可知B處的人接收到聲波的頻率變小，即f2＜f，選項D正確。[答案]

D觀察者接收到的頻率的判斷(1)聲音的音調取決于頻率，頻率高則音調高，頻率低則音調低。(2)當波源與觀察者相互靠近時，觀察者接收到的頻率大于波源頻率，音調變高；反之，觀察者接收到的頻率小于波源頻率，音調變低。/方法技巧/[針對訓練]1．(多選)下面哪些應用是利用了多普勒效應

(

)A．利用地球上接收到遙遠星體發(fā)出的光波的頻率來判斷遙遠星體相對于地球的運動速度B．交通警察向行進中的汽車發(fā)射已知頻率的電磁波，電磁波被運動的汽車反射回來，根據接收到的電磁波的頻率發(fā)生的變化，就知道汽車的速度，以便于進行交通管理C．鐵路工人把耳朵貼在鐵軌上可判斷遠處是否有火車駛來D．有經驗的戰(zhàn)士從炮彈飛行的尖嘯聲判斷飛行炮彈是接近還是遠去解析：凡是波都具有多普勒效應，因此利用光波的多普勒效應可以測定遙遠星體相對于地球運動的速度，故A符合題意；被反射的電磁波，相當于一個運動的物體發(fā)出的電磁波，根據其頻率的變化可以求出運動物體的速度，故B符合題意；鐵路工人把耳朵貼在鐵軌上可判斷遠處是否有火車駛來，是利用聲音在固體中傳播得快的特點，與多普勒效應無關，故C不符合題意；炮彈飛行，與空氣摩擦產生聲波，人耳接收到的頻率與炮彈的相對運動方向有關，故D符合題意。答案：ABD2．

(多選)如圖所示，男同學站立不動吹口哨，一位女同學坐在秋

千上來回擺動，下列關于女同學的感受的說法正確的是

(

)A．女同學從A向B運動過程中，她感覺哨聲音調變高B．女同學從E向D運動過程中，她感覺哨聲音調變高C．女同學在C點向右運動時，她感覺哨聲音調不變D．女同學在C點向左運動時，她感覺哨聲音調變低解析：由題圖可知，女同學蕩秋千的過程中，只要她有向右的速度，她就在靠近聲源，根據多普勒效應，她接收到的哨聲頻率變高，音調變高；反之女同學向左運動時，她感到音調變低。A、D正確，B、C錯誤。答案：AD3．(多選)一漁船向魚群發(fā)出超聲波，若魚群正向漁船靠近，則被魚群反射回來的超聲波與發(fā)出的超聲波相比

(

)A．波速變大

B．波速不變C．頻率變高

D．頻率不變解析：漁船與魚群發(fā)生相對運動，被魚群反射回來的超聲波的速度大小不變；由多普勒效應知，反射回來的超聲波的頻率變高，故B、C正確。答案：BC

一、好素材分享——看其他教材如何落實核心素養(yǎng)

科學探究——多普勒效應實驗1．(選自魯科版新教材“實驗與探究”)用蜂鳴器等器材制作一個發(fā)聲裝置，可演示多普勒效應。為了保證安全，可將發(fā)聲裝置裝入網球中，用結實的繩子捆綁好并在室外進行實驗。甲同學站在某位置，手持系有發(fā)聲裝置的繩子一端，使發(fā)聲裝置在頭頂上空快速轉動(如圖)，此時，乙同學站在離甲同學幾米之外的位置上靜止不動，甲、乙兩同學聽到蜂鳴器發(fā)出的聲音音調有什么變化？提示：轉動蜂鳴器的同學甲由于與蜂鳴器的距離總保持不變，故該同學聽到的聲音的音調不發(fā)生變化；而站在旁邊的乙同學由于離蜂鳴器的距離忽遠忽近，聽到的聲音的音調也是忽低忽高。

科學態(tài)度與責任——交警測速2．(選自魯科版新教材課后練習)公路巡警駕駛巡警車在高速公路上以100km/h的恒定速度巡查，該路段限速為100km/h。巡警車向前方在同一直車道上行駛的轎車發(fā)出一個已知頻率的電磁波，如果該電磁波被轎車反射回來時，巡警車接收到的電磁波的頻率比發(fā)出時的低，該轎車是否超速？請說明理由。提示：轎車超速。因為巡警車接收到的電磁波的頻率比發(fā)出時的低，說明巡警車與轎車在相互遠離，因巡警車的速度為100km/h且恒定，故轎車的速度一定大于100km/h，所以轎車超速。二、新題目精選——品立意深處所蘊含的核心價值1．汽車無人駕駛技術已逐漸成熟，最常用的是ACC自適應巡航控制，它可以控制無人車在前車減速時自動減速、前車加速時自動跟上去。汽車使用的傳感器主要是毫米波雷達，該雷達會發(fā)射和接收反射過的無線電波，再通過因波的時間差和多普勒效應造成的頻率變化來測量目標的相對距離和相對速度。若該雷達發(fā)射的無線電波的頻率為f，接收到的回波的頻率為f′，則

(

)A．當f′＝f時，表明前車一定做勻速直線運動B．當f′＝f時，表明前車一定處于靜止狀態(tài)C．當f′＞f時，表明前車相對于無人車正在減速行駛D．當f′＜f時，表明前車相對于無人車正在減速行駛解析：當波源和觀察者之間的距離不變時，觀察者接收到的頻率和波