2024-2025學(xué)年高中物理第三章機(jī)械波5多普勒效應(yīng)教案新人教版選擇性必修第一冊(cè)

PAGE10-5多普勒效應(yīng)一、多普勒效應(yīng)1．多普勒效應(yīng)：波源與視察者相互靠近或者相互遠(yuǎn)離時(shí)，接收到的波的頻率都會(huì)發(fā)生變更的現(xiàn)象．2．波源與視察者相對(duì)靜止時(shí)，1s內(nèi)通過視察者的波峰(或密部)的數(shù)目是肯定的，視察者接收到的頻率等于波源振動(dòng)的頻率．3．當(dāng)波源與視察者相互靠近時(shí)，1s內(nèi)通過視察者的波峰(或密部)的數(shù)目增加，接收到的頻率增加；反之，當(dāng)波源與視察者相互遠(yuǎn)離時(shí)，接收到的頻率變?。畩W地利有一位名叫多普勒的數(shù)學(xué)家、物理學(xué)家.1842年的某一天，他正路過鐵路交叉處，恰逢一列火車從他身旁馳過，他發(fā)覺火車從遠(yuǎn)而近時(shí)汽笛聲變響，音調(diào)變尖，而火車從近而遠(yuǎn)時(shí)汽笛聲變?nèi)?，音調(diào)變低．你知道這是為什么嗎？提示：多普勒對(duì)這個(gè)物理現(xiàn)象產(chǎn)生極大愛好，并進(jìn)行了探討．發(fā)覺這是由于振源與視察者之間存在著相對(duì)運(yùn)動(dòng)，使視察者聽到的聲音頻率不同于振源頻率的現(xiàn)象．因?yàn)?，聲源相?duì)于觀測者在運(yùn)動(dòng)時(shí)，觀測者所聽到的聲音會(huì)發(fā)生變更．當(dāng)聲源離觀測者而去時(shí)，聲波的波長增加，音調(diào)變得低沉，當(dāng)聲源接近觀測者時(shí)，聲波的波長減小，音調(diào)就變高．音調(diào)的變更同聲源與觀測者間的相對(duì)速度和聲速的比值有關(guān)．這一比值越大，變更就越顯著，后人把它稱為“多普勒效應(yīng)”．二、多普勒效應(yīng)的應(yīng)用1．測車輛速度：交警向行進(jìn)中的車輛放射頻率已知的超聲波，同時(shí)測量反射波的頻率，依據(jù)反射波頻率變更的多少就能知道車輛的速度．2．測血流速度：向人體內(nèi)放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，測出反射波的頻率變更，就可得血流速度．3．測星球速度：測量星球上某些元素發(fā)出的光波的頻率．然后與地球上這些元素靜止時(shí)發(fā)光的頻率比照，可得星球的速度．考點(diǎn)一多普勒效應(yīng)1．多普勒效應(yīng)波源與視察者相互靠近或者相互遠(yuǎn)離時(shí)，視察者接收到的波的頻率都會(huì)發(fā)生變更，這種現(xiàn)象叫作多普勒效應(yīng)．波源完成一次全振動(dòng)，向外發(fā)出一個(gè)波長的波，稱為一個(gè)完全波，頻率表示單位時(shí)間內(nèi)完成的全振動(dòng)的次數(shù)．因此波源的頻率又等于單位時(shí)間內(nèi)波源發(fā)出的完全波的個(gè)數(shù)．視察者聽到的聲音的音調(diào)，是由視察者接收到的頻率，即單位時(shí)間內(nèi)接收到的完全波的個(gè)數(shù)確定的．1發(fā)生多普勒效應(yīng)時(shí)，波源的頻率并沒有變更，只是視察者接收到的波的頻率發(fā)生了變更.波源與視察者假如相互靠近，視察者接收到的頻率增大；二者假如相互遠(yuǎn)離，視察者接收到的頻率減小.2多普勒效應(yīng)是波動(dòng)過程所共有的特征，一切波，如機(jī)械波、電磁波、光波都會(huì)發(fā)生多普勒效應(yīng).2．形成多普勒效應(yīng)的緣由以聲波為例分析如下：(1)波源與視察者相對(duì)于介質(zhì)均為靜止的狀況視察者所接收到的頻率與波源的振動(dòng)頻率相同，這時(shí)不會(huì)出現(xiàn)多普勒效應(yīng)．(2)波源靜止而視察者運(yùn)動(dòng)的狀況若視察者朝波源運(yùn)動(dòng)，由于視察者迎著波傳來的方向運(yùn)動(dòng)，使得視察者在單位時(shí)間內(nèi)接收到的完全波的個(gè)數(shù)大于波源發(fā)出的完全波的個(gè)數(shù)，即視察者接收的頻率高于波源頻率；同理，若視察者背離波源即順著波的傳播方向運(yùn)動(dòng)，視察者接收的頻率低于波源頻率．(3)視察者靜止而波源運(yùn)動(dòng)的狀況當(dāng)波源S向視察者O運(yùn)動(dòng)時(shí)，波源在前進(jìn)過程中，不斷地放射出波，已經(jīng)放射出的波仍以波速v前進(jìn)，而后繼波的波源地點(diǎn)(球面的中心)向前移了，所以波源前面的波面被擠緊，因此波長減小了；波源后面的波面稀疏了，因此波長增大了，如圖所示．波在介質(zhì)中的傳播速度并沒有變更，視察者在波源右方時(shí)，即波源接近視察者時(shí)，視察者在單位時(shí)間內(nèi)接收到的完全波的個(gè)數(shù)增多，即接收到的頻率增大．同樣道理，視察者在波源左方時(shí)，即波源遠(yuǎn)離視察者時(shí)，接收到的頻率減?。甧q\a\vs4\al(【拓展延長】)(1)波源不動(dòng)而視察者運(yùn)動(dòng)時(shí)，引起接收頻率的變更是由于視察者接收到的波數(shù)增多或削減造成的．(2)當(dāng)視察者不動(dòng)而波源運(yùn)動(dòng)時(shí)，引起接收頻率的變更是由于波長的變更而引起的．3．發(fā)生多普勒效應(yīng)的幾種狀況相對(duì)位置圖示結(jié)論波源S和視察者A相對(duì)于介質(zhì)不動(dòng)f波源＝f視察者，音調(diào)不變波源S不動(dòng)，視察者A運(yùn)動(dòng)，由A→B或由A→C若靠近波源，由A→B，則f波源<f視察者，音調(diào)變高；若遠(yuǎn)離波源，由A→C，則f波源>f視察者，音調(diào)變低視察者A、B不動(dòng)，波源S運(yùn)動(dòng)，由S1→S2對(duì)于視察者A，f波源<f視察者，音調(diào)變高；對(duì)于視察者B，f波源>f視察者，音調(diào)變低(1)多普勒效應(yīng)是所接收到的波的頻率與波源頻率不同的現(xiàn)象，并不是接收到的波的強(qiáng)度發(fā)生變更的現(xiàn)象，要正確區(qū)分頻率和強(qiáng)度這兩個(gè)物理量．(2)多普勒效應(yīng)的產(chǎn)生不取決于波源和視察者相距多遠(yuǎn)，而取決于波源和視察者相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度的大小和方向．(3)波的傳播速度不因波源的移動(dòng)而變更．(4)視察者垂直于波的傳播方向移動(dòng)時(shí)，不產(chǎn)生多普勒效應(yīng)．【例1】下面說法中不正確的是()A．發(fā)生多普勒效應(yīng)時(shí)，波源的頻率變更了B．發(fā)生多普勒效應(yīng)時(shí)，視察者接收到的頻率發(fā)生了變更C．多普勒效應(yīng)是在波源與視察者之間有相對(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)覺的【審題指導(dǎo)】1．產(chǎn)生多普勒效應(yīng)的緣由是什么？2．產(chǎn)生多普勒效應(yīng)時(shí)，波源的頻率變更嗎？【解析】當(dāng)波源與視察者之間有相對(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)，視察者接收到的頻率發(fā)生了變更，而波源的頻率沒有變更，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)覺的．選項(xiàng)D正確．【答案】A(多選)下列關(guān)于多普勒效應(yīng)的說法，正確的是(CD)A．只有聲波才能發(fā)生多普勒效應(yīng)B．當(dāng)視察者靠近聲源時(shí)，聽到聲音的音調(diào)上升，說明聲源的頻率上升了C．當(dāng)聲源和視察者同時(shí)以相同的速度向同一方向運(yùn)動(dòng)時(shí)，不會(huì)發(fā)生多普勒效應(yīng)D．火車離站時(shí)，站臺(tái)上的旅客聽到火車的汽笛音調(diào)降低解析：選項(xiàng)特性分析綜合點(diǎn)評(píng)A錯(cuò)誤多普勒效應(yīng)是波動(dòng)過程共有的特征，不僅是機(jī)械波，電磁波和光波也會(huì)發(fā)生多普勒效應(yīng)多普勒效應(yīng)產(chǎn)生的緣由是波源與視察者有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，使視察者接收到的頻率大于或小于波源發(fā)出的頻率，并不是波源頻率發(fā)生變更B錯(cuò)誤發(fā)生多普勒效應(yīng)時(shí)，聲源的頻率并沒有發(fā)生變更，而是視察者接收到的頻率發(fā)生了變更C正確當(dāng)波源和視察者以相同的速度同向運(yùn)動(dòng)時(shí)，兩者之間無相對(duì)運(yùn)動(dòng)，不會(huì)發(fā)生多普勒效應(yīng)D正確火車離站時(shí)，站臺(tái)上的旅客和火車相互遠(yuǎn)離，聽到火車的汽笛音調(diào)降低考點(diǎn)二多普勒效應(yīng)的應(yīng)用1．超聲波測速交通警察向行進(jìn)中的汽車放射一個(gè)已知頻率的超聲波，波被運(yùn)動(dòng)的汽車反射回來時(shí)，接收到的頻率發(fā)生變更，由此可知汽車的速度．2．依據(jù)光的多普勒效應(yīng)，在地球上接收到的遙遠(yuǎn)天體發(fā)出的光波頻率，與地球上相應(yīng)元素靜止時(shí)發(fā)光的頻率比照，可以推斷遙遠(yuǎn)天體相對(duì)地球的運(yùn)動(dòng)速度．3．醫(yī)用“彩超”：向人體放射頻率已知的超聲波，超聲波被血管中的血液反射后被儀器接收．測出反射波的頻率變更，就能知道血流的速度，據(jù)此診斷疾?。?．可據(jù)火車汽笛的音調(diào)的變更推斷火車是進(jìn)站還是出站；據(jù)炮彈飛行的尖叫聲推斷炮彈飛行的方向等．eq\a\vs4\al(【拓展延長】)什么是超聲波？(1)定義：頻率高于2×104Hz的聲波叫超聲波．(2)特點(diǎn)：頻率大，波長短，因而衍射不明顯；穿透力強(qiáng)，能透過幾米厚的金屬．動(dòng)物也可以放射和接收超聲波．【例2】(多選)下列哪些應(yīng)用是利用多普勒效應(yīng)()A．利用地球上接收到的遙遠(yuǎn)天體發(fā)出的光波的頻率來推斷遙遠(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)中的汽車放射一個(gè)已知頻率的電磁波，波被運(yùn)動(dòng)的汽車反射回來，依據(jù)接收到的電磁波頻率發(fā)生的變更，就能知道汽車的速度，以便于進(jìn)行交通管理C．鐵路工人用耳貼在鐵軌上可推斷火車的運(yùn)動(dòng)狀況D．有閱歷的戰(zhàn)士從炮彈飛行的尖叫聲就能推斷飛行的炮彈是接近還是遠(yuǎn)去【審題指導(dǎo)】由于視察者跟波源相對(duì)位置發(fā)生變更，使視察者接收到的波的頻率發(fā)生變更，這種現(xiàn)象就是多普勒效應(yīng)，多普勒效應(yīng)在實(shí)際中有許多應(yīng)用．【解析】凡是波都具有多普勒效應(yīng)，因此利用光波的多普勒效應(yīng)可測定遙遠(yuǎn)天體相對(duì)地球運(yùn)動(dòng)的速度，故A正確．被運(yùn)動(dòng)的物體反射的電磁波，相當(dāng)于運(yùn)動(dòng)的物體發(fā)出的電磁波，該電磁波的頻率發(fā)生變更，由多普勒效應(yīng)的計(jì)算公式可以求出運(yùn)動(dòng)物體的速度，故B項(xiàng)正確．對(duì)于C選項(xiàng)，鐵路工人是依據(jù)振動(dòng)的強(qiáng)弱來對(duì)火車的運(yùn)動(dòng)做出推斷的，故不正確．炮彈飛行時(shí)與空氣摩擦產(chǎn)生聲波，人耳接收到的聲波的頻率與炮彈的相對(duì)運(yùn)動(dòng)方向有關(guān)，故D項(xiàng)正確．故正確答案為A、B、D.【答案】ABD馬路巡警開車在高速馬路上以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)已知頻率的電磁波，假如該電磁波被那輛轎車反射回來時(shí)，巡警車接收到的電磁波頻率比發(fā)出時(shí)低，說明那輛轎車的車速(A)A．高于100km/h B．低于100km/hC．等于100km/h D．無法確定解析：由多普勒效應(yīng)知，巡警車接收到的頻率低了，即視察者接收到的頻率低了，說明轎車和巡警車在相互遠(yuǎn)離，而巡警車速度恒定，因此可以判定轎車的速度比巡警車的速度大，故A正確．學(xué)科素養(yǎng)提升多普勒效應(yīng)的定量計(jì)算設(shè)u表示波源相對(duì)介質(zhì)的速度，v表示視察者相對(duì)介質(zhì)的速度，V表示波的傳播速度；f和f′分別表示波源頻率和視察者接收到的頻率．(1)波源和視察者相對(duì)介質(zhì)都不動(dòng)：視察者接收到的頻率是單位時(shí)間內(nèi)通過視察者的完全波數(shù)，故f′＝eq\f(V,λ)＝f，即接收到的頻率等于波源的頻率．(2)波源相對(duì)介質(zhì)不動(dòng)，而視察者向波源運(yùn)動(dòng)：則波對(duì)視察者的速度為(v＋V)，據(jù)公式λ＝eq\f(V,f)，知f′＝eq\f(V＋v,λ)＝(1＋eq\f(v,V))f，即接收到的頻率增加為波源頻率的(1＋eq\f(v,V))倍．同理可知，當(dāng)視察者遠(yuǎn)離波源運(yùn)動(dòng)時(shí)，視察者接收到的頻率減小，f′＝(1－eq\f(v,V))f.(3)視察者靜止，波源以速度u向視察者運(yùn)動(dòng)：波速V與波源的運(yùn)動(dòng)無關(guān)，但波長被壓縮為λ′＝λ－uT，故視察者接收到的頻率f′＝eq\f(V,λ－uT)＝eq\f(V,VT－uT)＝eq\f(V,V－u)f，即接收到的頻率增大．反之，當(dāng)波源遠(yuǎn)離視察者時(shí)，接收到的頻率減小，f′＝eq\f(V,V＋u)f.(4)若波源和視察者都相對(duì)介質(zhì)運(yùn)動(dòng)，則相向運(yùn)動(dòng)：f′＝eq\f(V＋v,V－u)f；反向運(yùn)動(dòng)：f′＝eq\f(V－v,V＋u)f.【典例】火車以20m/s的速度向一靜止視察者駛近，機(jī)車鳴笛2s之久，聲速為340m/s，問：(1)視察者聽到的汽笛聲持續(xù)多久？(2)假如火車以同樣的速度從視察者身邊駛過，則視察者前后聽到的聲音的頻率之比是多少？【思路分析】1.火車向靜止的視察者駛近，鳴笛2s，則視察者聽到的聲音的時(shí)間比2s長還是短？2．視察者聽到的頻率和聲源的頻率有什么關(guān)系？【解析】(1)視察者相對(duì)介質(zhì)靜止，波源以速度v向視察者運(yùn)動(dòng)，聲波相對(duì)視察者的速度不變?nèi)詾閡，t時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生波的總長度L＝(u－v)t，所以經(jīng)過視察者的時(shí)間為t′＝eq\f(u－v,u)t＝eq\f(340－20,340)×2s≈1.882s.(2)火車向視察者駛近時(shí)，視察者聽到的頻率為f1＝eq\f(u,u－v)f0.火車從視察者身邊遠(yuǎn)離時(shí)，聽到的頻率為f2＝eq\f(u,u＋v)f0，所以eq\f(f1,f2)＝eq\f(u＋v,u－v)＝eq\f(340＋20,340－20)＝98.【答案】(1)1.882s(2)98多普勒效應(yīng)的本質(zhì)在于，由于波源和視察者間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，使視察者接收到的頻率不同于二者相對(duì)靜止時(shí)接收到的頻率．1．(多選)如圖所示，為一波源O做勻速直線運(yùn)動(dòng)時(shí)在勻稱介質(zhì)中產(chǎn)生球面波的狀況，則(AD)A．該波源正在移向a點(diǎn)B．該波源正在移向b點(diǎn)C．在a處視察波的頻率變低D．在b處視察波的頻率變低解析：波源在某一位置產(chǎn)生一列波面后，該波面以該位置為球心，以波速作為傳播速度向外傳播，反之，由波面可確定出該波面的產(chǎn)生位置，即波源．波面半徑大，表示產(chǎn)生時(shí)間早，傳播時(shí)間長．比照?qǐng)D示，可確定出波源由右向左運(yùn)動(dòng)，故A項(xiàng)對(duì)，B項(xiàng)錯(cuò)．由于視察者不動(dòng)，故波面經(jīng)過視察者的速度等于波速，而在a處視察時(shí)，相鄰波面間距比波源不動(dòng)時(shí)間距小，因而經(jīng)過視察者時(shí)間間隔短，頻率大，同理在b處時(shí)間間隔長、頻率小，故C項(xiàng)錯(cuò)，D項(xiàng)對(duì)．2．(多選)站在火車站臺(tái)上的旅客聽到路過的火車鳴笛聲的音調(diào)變更狀況，以下說法正確的是(BC)A．當(dāng)火車進(jìn)站時(shí)，鳴笛聲的音調(diào)變低B．當(dāng)火車進(jìn)站時(shí)，鳴笛聲的音調(diào)變高C．當(dāng)火車離站時(shí)，鳴笛聲的音調(diào)變低D．當(dāng)火車離站時(shí)，鳴笛聲的音調(diào)變高解析：音調(diào)由頻率確定，頻率大時(shí)音調(diào)高，頻率小時(shí)音調(diào)低，火車進(jìn)站時(shí)旅客接收到的頻率會(huì)變大，故音調(diào)變高，B項(xiàng)正確；火車離站時(shí)，旅客接收到的頻率會(huì)變小，故音調(diào)會(huì)變低，C項(xiàng)正確．3．下列哪些現(xiàn)象屬于多普勒效應(yīng)(C)A．夏日雷聲轟鳴不絕B．有兩只相同的音叉，若一只被敲擊振動(dòng)發(fā)聲，發(fā)覺另一只也振動(dòng)發(fā)聲C．戰(zhàn)場上士兵聽到敵方炮彈飛行聲音和聽到我方炮彈聲音不同D．“未見其人，先聞其聲”解析：夏日雷聲轟鳴不絕，屬于聲波的反射；有兩只相同的音叉，若一只被敲擊振動(dòng)發(fā)聲，發(fā)覺另一只也振動(dòng)發(fā)聲，這是聲音的共振；戰(zhàn)場上士兵聽到敵方炮彈飛行聲音和聽到我方炮彈聲音不同的現(xiàn)象是多普勒效應(yīng)；“未見其人，先聞其聲”是波的衍射現(xiàn)象．C正確．4．(多選)上課時(shí)老師將一蜂鳴器固定在教鞭一端后快速水平旋轉(zhuǎn)，蜂鳴器音調(diào)竟然忽高忽低變更，下列推斷正確的是(BC)A．旋轉(zhuǎn)時(shí)蜂鳴器發(fā)出的頻率變更了B．由于旋轉(zhuǎn)，變更了同學(xué)們聽到的聲音頻率C．蜂鳴器音調(diào)變高時(shí)，肯定是向靠近視察者的方向運(yùn)動(dòng)D．音調(diào)的忽高忽低是由波