【同步學(xué)練】高中物理人教版(2019)選擇性必修1：第3章5.多普勒效應(yīng)學(xué)案(教師版)

5．多普勒效應(yīng)1．知道什么是多普勒效應(yīng)，知道它是波源與觀察者之間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的現(xiàn)象。2．培養(yǎng)利用控制變量法探究問題的能力。3．了解多普勒效應(yīng)在實(shí)際生活中的應(yīng)用。多普勒效應(yīng)1．定義波源與觀察者相互靠近或遠(yuǎn)離時(shí)，接收到的波的頻率都會(huì)發(fā)生變化，這種現(xiàn)象叫作多普勒效應(yīng)。2．產(chǎn)生原因(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)到的頻率增加。(2)當(dāng)波源與觀察者相互遠(yuǎn)離時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)觀察者的波峰(或密部)的數(shù)目減少，觀測(cè)到的頻率減小。無(wú)論波源與觀察者間是否有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，是否發(fā)生多普勒效應(yīng)，波源發(fā)出的波的頻率不變，改變的僅是接收到的波的頻率。當(dāng)你站在路邊，警車?guó)Q笛從你身邊飛速駛過(guò)，對(duì)于警車向你靠近和警車遠(yuǎn)離的過(guò)程，你會(huì)聽到警笛的聲音在變化。問題1你聽到警笛的音調(diào)有何不同？提示：警車向你靠近時(shí)聽到警笛的音調(diào)變高，警車遠(yuǎn)離時(shí)聽到警笛的音調(diào)變低。問題2實(shí)際上警笛的音調(diào)會(huì)變化嗎？提示：不會(huì)。問題3聽到音調(diào)發(fā)生變化的原因是什么？提示：警車與人之間發(fā)生了相對(duì)運(yùn)動(dòng)。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【典例1】(2022·江蘇蘇州質(zhì)檢)如圖表示產(chǎn)生機(jī)械波的波源O做勻速運(yùn)動(dòng)的情況，圖中的圓表示波峰。(1)該圖表示的是()A．干涉現(xiàn)象B．衍射現(xiàn)象C．反射現(xiàn)象D．多普勒效應(yīng)(2)波源正在移向()A．A點(diǎn)B．B點(diǎn)C．C點(diǎn)D．D點(diǎn)(3)觀察到的波的頻率最低的點(diǎn)是()A．A點(diǎn)B．B點(diǎn)C．C點(diǎn) D．D點(diǎn)[思路點(diǎn)撥]本題主要是對(duì)多普勒效應(yīng)的分析，判斷問題時(shí)必須明確如下幾點(diǎn)：①常見的波動(dòng)現(xiàn)象有哪些？②怎樣根據(jù)波形判斷波源的移動(dòng)方向？③波源的移動(dòng)對(duì)觀察到的波的頻率有何影響？(1)D(2)A(3)B[(1)由于題圖所示波源左方的波面密集，右方的波面稀疏，可知該圖表示的是多普勒效應(yīng)中波源運(yùn)動(dòng)的情況，即D選項(xiàng)正確。(2)由于波源左方的波長(zhǎng)被壓縮，右方的波長(zhǎng)被拉長(zhǎng)，可知波源正在移向A點(diǎn)，即A選項(xiàng)正確。(3)由于波源遠(yuǎn)離B點(diǎn)，由題圖分析可知在B點(diǎn)觀察到的波的頻率最低，即B選項(xiàng)正確。]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。[跟進(jìn)訓(xùn)練]1．(多選)如圖所示，小球P一邊貼著水面每秒振動(dòng)5次，一邊沿x軸正方向勻速移動(dòng)，x＝0處是它的初始位置，圖示為恰經(jīng)10個(gè)周期時(shí)觀察到的水面波。則下列說(shuō)法正確的是()A．位于x軸正方向一側(cè)的觀測(cè)者，接收頻率大于5HzB．位于x軸負(fù)方向一側(cè)的觀測(cè)者，接收頻率大于5HzC．水面波的傳播速度是0.2m/s，小球勻速移動(dòng)的速度是0.1m/sD．水面波的傳播速度是0.4m/s，小球勻速移動(dòng)的速度是0.2m/sAC[小球每秒振動(dòng)5次，所以波的頻率為5Hz，小球沿x軸正方向勻速移動(dòng)，根據(jù)多普勒效應(yīng)規(guī)律可知，位于x軸正方向一側(cè)的觀測(cè)者，接收頻率大于5Hz，位于x軸負(fù)方向一側(cè)的觀測(cè)者，接收頻率小于5Hz，所以A正確，B錯(cuò)誤；小球的振動(dòng)周期為T＝15s＝0.2s，小球振動(dòng)10個(gè)周期所用的時(shí)間為t＝10T＝2s，小球的速度為v1＝s1t＝20多普勒效應(yīng)的應(yīng)用1．測(cè)量汽車速度：交通警察向行進(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)射頻率已知的超聲波，超聲波被血管中的血流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。如圖為衛(wèi)星跟蹤站，人們可以跟蹤人造地球衛(wèi)星。問題1人們?cè)鯓永眯l(wèi)星跟蹤站觀測(cè)衛(wèi)星？提示：一旦衛(wèi)星經(jīng)過(guò)跟蹤站上空，地面接收到的信號(hào)頻率就會(huì)先增大后減小，人們根據(jù)接收到的信號(hào)頻率變化來(lái)觀察衛(wèi)星。問題2人們發(fā)現(xiàn)星球光譜的頻率在變小，說(shuō)明什么問題？提示：說(shuō)明星球正在遠(yuǎn)離地球?！镜淅?】(多選)下面實(shí)例中利用了多普勒效應(yīng)的是()A．利用地球上接收到遙遠(yuǎn)天體發(fā)出的光波的頻率來(lái)判斷遙遠(yuǎn)天體相對(duì)于地球的運(yùn)動(dòng)速度B．交通警察向行進(jìn)中的汽車發(fā)射一個(gè)已知頻率的電磁波，波被運(yùn)動(dòng)的汽車反射回來(lái)時(shí)，根據(jù)接收到的頻率發(fā)生的變化，就可知汽車的速度，以便于交通管理C．鐵路工人用耳貼在鐵軌上可判斷火車的運(yùn)動(dòng)情況D．有經(jīng)驗(yàn)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(yuǎn)去ABD[利用光波的多普勒效應(yīng)可以測(cè)定遙遠(yuǎn)天體相對(duì)于地球的運(yùn)動(dòng)速度，A選項(xiàng)正確。被反射的電磁波，相當(dāng)于一個(gè)運(yùn)動(dòng)的物體發(fā)出的電磁波，其頻率發(fā)生變化，由多普勒效應(yīng)可求出運(yùn)動(dòng)物體的速度，B選項(xiàng)正確。鐵路工人主要根據(jù)鐵軌振動(dòng)的強(qiáng)弱而非頻率的高低來(lái)對(duì)列車的運(yùn)動(dòng)作出判斷，C選項(xiàng)錯(cuò)誤。炮彈飛行，與空氣摩擦產(chǎn)生聲波，人耳接收到的頻率與炮彈的相對(duì)運(yùn)動(dòng)方向有關(guān)，D選項(xiàng)正確。][跟進(jìn)訓(xùn)練]2．(多選)火車?guó)Q笛，當(dāng)觀察者聽到鳴笛聲的音調(diào)比聲源發(fā)出來(lái)的音調(diào)降低時(shí)，下列判斷可能正確的是()A．觀察者靜止，火車向他駛來(lái)B．觀察者靜止，火車離他遠(yuǎn)去C．火車靜止，觀察者乘汽車向著火車運(yùn)動(dòng)D．火車靜止，觀察者乘汽車遠(yuǎn)離火車運(yùn)動(dòng)BD[根據(jù)多普勒效應(yīng)可知，當(dāng)波源和觀察者間的距離變小時(shí)，觀察者接收到的頻率比波源的頻率高，當(dāng)波源和觀察者間的距離變大時(shí)，觀察者接收到的頻率比波源的頻率低。由于觀察者聽到鳴笛聲的音調(diào)比原來(lái)低，所以觀察者接收到的聲波頻率降低，說(shuō)明觀察者和火車之間的距離在變大，B、D正確。]1．關(guān)于多普勒效應(yīng)，下列說(shuō)法正確的是()A．產(chǎn)生多普勒效應(yīng)的原因是波源頻率發(fā)生了變化B．觀察者與聲源間沒有相對(duì)運(yùn)動(dòng)也可能產(chǎn)生多普勒效應(yīng)C．甲、乙兩列車相向行駛，兩車均鳴笛，且所發(fā)出的笛聲頻率相同，那么乙車中的某旅客聽到的甲車笛聲頻率低于他聽到的乙車笛聲頻率D．救護(hù)車迎面駛來(lái)時(shí)，聽到的聲音越來(lái)越尖的現(xiàn)象屬于多普勒效應(yīng)D[產(chǎn)生多普勒效應(yīng)的原因是觀察者相對(duì)波源的位置發(fā)生變化，A、B錯(cuò)誤；甲、乙兩列車相向行駛，兩車均鳴笛，且發(fā)出的笛聲頻率相同，那么乙車中的某旅客聽到的甲車笛聲頻率高于他聽到的乙車笛聲頻率，C錯(cuò)誤；救護(hù)車迎面駛來(lái)時(shí)，聽到的聲音越來(lái)越尖的現(xiàn)象屬于多普勒效應(yīng)，D正確。]2．(多選)如圖所示，男同學(xué)站立不動(dòng)吹口哨，一位女同學(xué)坐在秋千上來(lái)回?cái)[動(dòng)，下列關(guān)于女同學(xué)感受到聲音變化的說(shuō)法正確的是()A．女同學(xué)從A向B運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，她感覺哨聲音調(diào)變高B．女同學(xué)從E向D運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，她感覺哨聲音調(diào)變高C．女同學(xué)在C點(diǎn)向右運(yùn)動(dòng)時(shí)，她感覺哨聲音調(diào)不變D．女同學(xué)在C點(diǎn)向左運(yùn)動(dòng)時(shí)，她感覺哨聲音調(diào)變低AD[由題圖可知，女同學(xué)蕩秋千的過(guò)程中，只要她有向右的速度，她就在靠近聲源，根據(jù)多普勒效應(yīng)，她接收到的哨聲頻率變高，音調(diào)變高；反之女同學(xué)向左運(yùn)動(dòng)時(shí)，她感受到音調(diào)變低。A、D正確，B、C錯(cuò)誤。]3．如圖所示，向左勻速運(yùn)動(dòng)的小車發(fā)出頻率為f的聲波，車左側(cè)A處?kù)o止的人感受到的聲波的頻率為f1，車右側(cè)B處?kù)o止的人感受到的聲波的頻率為f2，則()A．f1＜f，f2＜f B．f1＜f，f2＞fC．f1＞f，f2＞f D．f1＞f，f2＜fD[由題意可知，聲源靠近A處的人，由多普勒效應(yīng)可知，A處的人接收到聲波的頻率變大，即f1>f；聲源遠(yuǎn)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(xiàng)D正確。]回歸本節(jié)知識(shí)，自我完成以下問題：1．為什么會(huì)產(chǎn)生多普勒效應(yīng)現(xiàn)象？提示：觀察者與波源存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)。2．發(fā)生多普勒效應(yīng)時(shí)，波源的頻率發(fā)生變化了嗎？提示：沒有變化。3．多普勒效應(yīng)的產(chǎn)生與觀察者距波源遠(yuǎn)近有關(guān)嗎？提示：無(wú)關(guān)。宇宙學(xué)中的多普勒效應(yīng)20世紀(jì)20年代，天文學(xué)家在研究遠(yuǎn)處的旋渦星云發(fā)出的光譜時(shí)，發(fā)現(xiàn)了光譜的紅移，認(rèn)識(shí)到了旋渦星云正快速遠(yuǎn)離地球而去。1929年哈勃根據(jù)光譜紅移總結(jié)出著名的哈勃定律：星系的遠(yuǎn)離速度v與到地球的距離r成正比，即v＝H0r，H0為哈勃常數(shù)。根據(jù)哈勃定律和后來(lái)更多天體光譜紅移的測(cè)定，人們相信宇宙在長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)一直在膨脹，宇宙的密度一直在變小。反推可以想象，宇宙在很久以前并沒有現(xiàn)在這么大，最初它可能很小。因此，科學(xué)家提出了大爆炸宇宙模型，認(rèn)為宇宙是在大爆炸后，經(jīng)長(zhǎng)期地膨脹和演化而形成今天的狀態(tài)。20世紀(jì)60年代以來(lái)，大爆炸宇宙模型逐漸被人們接受。具有波動(dòng)性的