《多普勒效應(yīng)》參考教案

PAGE1/9多普勒效應(yīng)教案一、教學(xué)目標(biāo)１知道波源的頻率與觀察者接收到的頻率的區(qū)別．２知道什么是多普勒效應(yīng)，知道它是在波源與觀察者之間有相對運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的現(xiàn)象．了解一些它的應(yīng)用．二、教學(xué)重點(diǎn)：多普勒效應(yīng)產(chǎn)生的原因三、教學(xué)方法：多媒體輔助教學(xué)四、教具：計(jì)算機(jī)、大屏幕、多媒體教學(xué)課件五、教學(xué)過程：（一）引入新課我們在前面的討論中，波源和觀察者都是相對介質(zhì)靜止的，波源的頻率和觀察者感覺到的頻率是相同的，若波源或觀察者或它們兩者均相對介質(zhì)運(yùn)動(dòng)，則觀察者感覺到的頻率和波源的真實(shí)頻率一般并不相同，這種現(xiàn)象稱為多普勒效應(yīng)?；疖囘M(jìn)站，笛聲較高，火車出站，笛聲較低，就是這種現(xiàn)象。（二）進(jìn)行新課【板書】第八節(jié)多普勒效應(yīng)一、多普勒效應(yīng)為了便于研究，我們可分三種情況來討論多普勒效應(yīng)。設(shè)波速為v，觀察者運(yùn)動(dòng)速度為v人，波源運(yùn)動(dòng)速度為v源，均以介質(zhì)為參考系。【板書】二、多普勒效應(yīng)成因【板書】1、波源相對介質(zhì)靜止，即v源=0，觀察者以速度v人相對介質(zhì)運(yùn)動(dòng)。設(shè)速度v=100m/s，波源頻率f=100Hz，則周期T=0.01s，λ=Vt=1m。在波源、觀察者相對介質(zhì)靜止時(shí)，則在t=1s里有100個(gè)波傳到觀察者A位置（因?yàn)樵谝粋€(gè)周期內(nèi)波向前傳播一個(gè)波長），觀察者感覺到的頻率與波源頻率相同。當(dāng)波源不動(dòng)，觀察者以v人=10m/s的速度向波源運(yùn)動(dòng)，則在t=1s里，觀察者從A到B位置（課本圖10-36），感受到的波的個(gè)數(shù)為：n=(v+v人)t=(100+10)×1=110個(gè)，這樣觀察者感受到的頻率（f’=110Hz）就比波源的頻率(f=100Hz)要高。如果觀察者遠(yuǎn)離波源運(yùn)動(dòng)，則在t=1s里，觀察者從A到C位置，感受到的波的個(gè)數(shù)為：n=(v-v人)t=(100-10)×1=90個(gè)，這樣觀察者感受到的頻率（f’=90Hz）就比波源的頻率(f=100Hz)要低。同學(xué)們可以思考一下，如果觀察者遠(yuǎn)離波源的運(yùn)動(dòng)速度v人=100m/s或v人＞100m/s，那么觀察者感受到的頻率如何？他感覺到波源的位置有無變化？【板書】2、觀察者相對于介質(zhì)靜止，波源以速度v源相對介質(zhì)運(yùn)動(dòng)。課本圖10-37所示，設(shè)觀察者在A位置不動(dòng)，波源以v源=10m/s的速度向觀察者運(yùn)動(dòng)，此時(shí)相對觀察者來說波速為：v+v源=100+10=110m/s，因此觀察者在t=1s里感受到的波有110個(gè)，所以觀察者感受到的頻率（f’=110Hz）就比波源的頻率(f=100Hz)要高。要注意的是，在波源運(yùn)動(dòng)的過程中，波速實(shí)際上并不改變，但在相同的距離中卻多了10個(gè)完整的波，這是波在介質(zhì)中被均勻擠壓，使波長變短了的緣故，如圖10-26所示。同理，如果波源遠(yuǎn)離觀察者，則觀察者感受到的頻率就比波源的頻率要低。【板書】3、波源、觀察者同時(shí)相對介質(zhì)運(yùn)動(dòng)。可引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行思考討論，加深對多普勒效應(yīng)的理解。當(dāng)波源與觀察者相對運(yùn)動(dòng)時(shí)，如果二者相互靠近，觀察者感覺到的頻率將增大；如果二者相互遠(yuǎn)離，觀察者感覺到的頻率將減小。（三）課件演示，課堂小結(jié)打開計(jì)算機(jī)，演示“多普勒效應(yīng)”教學(xué)課件（通過課件演示，形象直觀地再現(xiàn)生活中的“多普勒效應(yīng)”現(xiàn)象，給學(xué)生再次留下清晰直觀的印象，從而收到良好的教學(xué)效果。）（四）課堂練習(xí)觀察者站在鐵道旁，一輛以某一速度運(yùn)動(dòng)的火車向觀察者迎面駛來，同時(shí)發(fā)出汽笛聲，下面判斷正確的是：（）A．觀察者感受到汽笛生的的頻率越來越大Ｂ．聲波的速度越來越大Ｃ．傳向觀察者的聲波的波長變短Ｄ．傳向觀察者的聲波的波長變長答案：Ｃ（五）作業(yè)復(fù)習(xí)教材內(nèi)容。參考題：1、關(guān)于多普勒效應(yīng)，下列說法正確的是（）A．多普勒效應(yīng)是由于波的干涉引起的Ｂ．多普勒效應(yīng)說明波源的頻率是變化的Ｃ．多普勒效應(yīng)是由于波源與觀察者之間的相對運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的Ｄ．只有聲波才可以產(chǎn)生多普勒效應(yīng)２、當(dāng)火車進(jìn)站鳴笛時(shí)，我們可聽到的聲調(diào)（）Ａ．越來越高Ｂ．越來越低沉Ｃ．變高Ｄ．不知聲速和火車車速，不能判斷教學(xué)建議１、本節(jié)主要以聲波為例介紹多普勒效應(yīng)．它比較常見，易于為學(xué)生接受，而且只對多普勒效應(yīng)做定性的分析說明，使學(xué)生對多普勒效應(yīng)有初步的了解，教學(xué)中要注意不宜引伸．２、多普勒效應(yīng)是在波源與觀察者之間有相對運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的現(xiàn)象，這比波動(dòng)現(xiàn)象又復(fù)雜了一些．要理解多普勒效應(yīng)，學(xué)生必須先知道波源的頻率與觀察者接收到的頻率的區(qū)別，這是學(xué)習(xí)本節(jié)的關(guān)鍵．課本結(jié)合示意圖重點(diǎn)說明了這一問題．教學(xué)中可結(jié)合學(xué)生實(shí)際進(jìn)行講解．３、本節(jié)有一“旁批”，用“極端假設(shè)”的方法，幫助學(xué)生想象觀察者遠(yuǎn)離波源時(shí)，接收到的頻率減小的道理，以理解多普勒效應(yīng)，教學(xué)中可引導(dǎo)學(xué)生思考．４、多普勒效應(yīng)在現(xiàn)代生產(chǎn)和生活中有廣泛的應(yīng)用，除了課本中提到的，還可根據(jù)實(shí)際情況補(bǔ)充介紹一些應(yīng)用實(shí)例，以開闊眼界和引起興趣參考文章：高中《物理》（試驗(yàn)修訂本第二冊）中，增加了必學(xué)內(nèi)容——多普勒效應(yīng)．在日常生活和工程技術(shù)方面，多普勒效應(yīng)的應(yīng)用非常廣泛，如測定遙遠(yuǎn)天體相對地球的運(yùn)動(dòng)速度，人造地球衛(wèi)星的運(yùn)動(dòng)情況，流體的流動(dòng)，潛艇的速度，還可應(yīng)用于報(bào)警，檢查車速，醫(yī)學(xué)診斷等．筆者在此對聲波的多普勒效應(yīng)討論簡介如下：一、什么是多普勒效應(yīng)在日常生活中，我們有過這樣的經(jīng)驗(yàn)，在鐵路旁聽行駛中火車的汽笛聲，當(dāng)火車鳴笛而來時(shí)，人們會(huì)聽到汽笛聲的音調(diào)變高．相反，當(dāng)火車鳴笛而去時(shí)，人們則聽到汽笛聲的音調(diào)變低．像這樣由于波源或觀察者相對于介質(zhì)有相對運(yùn)動(dòng)時(shí)，觀察者所接收到的波頻率有所變化的現(xiàn)象就叫做多普勒效應(yīng)．這種現(xiàn)象是奧地利物理學(xué)家多普勒（1803～1853）于1842年首先發(fā)現(xiàn)的，因此以他的名字命名．二、多普勒效應(yīng)的演示實(shí)驗(yàn)在上述火車鳴笛的例子中，實(shí)際上火車鳴笛的頻率并沒有改變，而是由于聲源和觀察者之間有相對運(yùn)動(dòng)，使人耳接收到聲音的頻率發(fā)生了變化，所以人耳聽到汽笛的音調(diào)發(fā)生了變化．為了說明這個(gè)問題，我們可以用水波代替聲波（都是機(jī)械波），做如下演示實(shí)驗(yàn)．圖1在盛有清水的大水槽中，以一端粘有直徑約為8ｍｍ的石蠟球的細(xì)彈簧作為彈簧單振子，使單振子與水面接觸，如圖1所示．若使單振子沿豎直方向周期性地上下?lián)舸蛩?，這時(shí)，水面上就形成向四周傳播的周期性同心圓波．若將振動(dòng)著的單振子在水面上向右平移、便可看到從振源中心到右槽壁間的波紋變密、波長縮短，右壁接收圓波的頻率變大，而振源中心到左槽壁的波紋變疏，波長增大，左槽壁接收圓波的頻率變小，波形如圖2所示（做該實(shí)驗(yàn)時(shí)，水槽盡量大些，為減少反射波的影響，可用多層紗布條縫疊在一起，掛在水槽壁內(nèi)，以吸收傳到槽壁的圓波）．圖2該實(shí)驗(yàn)儀器結(jié)構(gòu)簡單，易于取材，制作簡便，便于操作，直觀性強(qiáng)，可信度高，具有較好的實(shí)驗(yàn)效果．實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，單振子（振源）本身的頻率并沒有改變，而是水槽壁（接收者）接收的水波的頻率發(fā)生了變化，這就與上述火車鳴笛的情況相類似了．通過該實(shí)驗(yàn)的演示，我們就不難理解波的多普勒效應(yīng)了．三、聲波多普勒效應(yīng)的理論分析結(jié)合教材的闡述，我們還知道，當(dāng)波源與觀察者有相對運(yùn)動(dòng)時(shí)，如果二者相互接近，觀察者接收到波的頻率增大；如果二者遠(yuǎn)離，觀察者接收到波的頻率減小．對于這種變化關(guān)系，下面筆者由淺入深地分三種情況針對聲波做如下討論．首先，設(shè)聲源速度為ｖＳ，接收者速度為ｖB，ｖ表示聲波在介質(zhì)中的傳播速度，當(dāng)聲源向接收者運(yùn)動(dòng)時(shí)，ｖＳ取正值，而背離接收者運(yùn)動(dòng)時(shí)，ｖＳ取負(fù)值；當(dāng)觀察者向聲源運(yùn)動(dòng)時(shí)，ｖB取正值，而背離聲源運(yùn)動(dòng)時(shí)，ｖB取負(fù)值，波速ｖ總?cè)≌担?．聲源不動(dòng)，觀察者以速度ｖB相對于介質(zhì)運(yùn)動(dòng)，即ｖS＝0、ｖB≠0時(shí)如觀察者向著聲源運(yùn)動(dòng)，則ｖB＞0．因觀察者以速度ｖB迎向聲源運(yùn)動(dòng)，相當(dāng)于波以速度ｖ＋ｖB通過接收者．單位時(shí)間內(nèi)接收到的波數(shù)就是接收到的頻率，即ν′＝（ｖ＋ｖB）／λ＝（ｖ＋ｖB）／（ｖＴ）＝［（ｖ＋ｖB）／ｖ］ν＝［1＋（ｖB／ｖ）］ν．①該式表明：當(dāng)觀察者向聲源運(yùn)動(dòng)時(shí)，接收到的頻率ν′為聲源頻率的［1＋（ｖB／ｖ）］倍；當(dāng)觀察者背離聲源運(yùn)動(dòng)時(shí)，ｖB＜0，則ν′＜ν，即觀察者接收到的頻率ν′小于聲源的振動(dòng)頻率ν．讀者可自行分析當(dāng)ｖB＝－ｖ時(shí)，會(huì)發(fā)生什么情況?2．觀察者不動(dòng)，聲源以速度ｖＳ相對于介質(zhì)運(yùn)動(dòng)，即ｖＢ＝0，ｖＳ≠0時(shí)圖3如聲源向著觀察者運(yùn)動(dòng)，這時(shí)ｖＳ＞0．假定ｖＳ＜ｖ，因?yàn)槁曀賰H決定于介質(zhì)的性質(zhì)，與聲源的運(yùn)動(dòng)與否無關(guān)．所以在一個(gè)周期T內(nèi)聲源在S點(diǎn)發(fā)出的振動(dòng)向前傳播的距離等于波長λ．如聲源不動(dòng)，則波形如圖3中實(shí)線所示；但若聲源運(yùn)動(dòng)，則在一個(gè)周期的時(shí)間內(nèi)聲源在波的傳播方向上通過一段路程ｖＳT而達(dá)到S′點(diǎn)，結(jié)果整個(gè)波形如圖3中點(diǎn)S′、B′間的虛線所示．由于聲源做勻速運(yùn)動(dòng)，所以，波形無畸彎．只是波長變小，其值為λ′＝＝λ－ｖＳＴ＝ｖＴ－ｖＳＴ＝（ｖ－ｖＳ）（1／ν）．所以觀察者在單位時(shí)間內(nèi)接收到的波數(shù)為ν′＝ｖ／λ′＝[ｖ／（ｖ－ｖＳ）]ν．②該式表明：當(dāng)聲源向著觀察者運(yùn)動(dòng)時(shí)，觀察者接收的頻率是聲源頻率的ｖ／（ｖ－ｖＳ）倍．如聲源背離觀察者運(yùn)動(dòng)，則ｖＳ＜0，所以有ν′＜ν，即觀察者接收到的頻率比聲源頻率降低了．現(xiàn)在我們就不難明白前述火車相對觀察者運(yùn)動(dòng)時(shí)音調(diào)變化的本質(zhì)原因了．從以上所討論的兩種情況中，我們不難看出，無論是接收者相對介質(zhì)運(yùn)動(dòng)還是聲源相對介質(zhì)運(yùn)動(dòng)，接收者接收到波的頻率的變化情況雖然一樣，但兩種變化的本質(zhì)機(jī)理卻不同．前者是由相對波速的變化引起，而后者是由波長的變化引起．根據(jù)以上兩種情況的討論，我們可以很容易證明，當(dāng)觀察者和聲源同時(shí)相對介質(zhì)運(yùn)動(dòng)，即ｖＢ≠0、ｖＳ≠0時(shí)，觀察者接收到聲波的頻率為ν′＝（ｖ＋ｖＢ）／[（ｖ－ｖＳ）／ν]＝［（ｖ＋ｖＢ）／（ｖ－ｖＳ）］ν．③該式也可以說是以上兩種討論的綜合，如果在ｖＳ和ｖＢ兩個(gè)量中有一個(gè)為零時(shí)，就可得出上面的①、②式分別所表示的兩種情況．四、波的多普勒效應(yīng)的科學(xué)應(yīng)用多普勒效應(yīng)是波動(dòng)過程所具有的共同特性，不僅聲波（機(jī)械波）有多普勒效應(yīng)，光波也具有多普勒效應(yīng)，天體物理學(xué)家正是根據(jù)光波的多普勒效應(yīng)，通過對遙遠(yuǎn)星系發(fā)出來的光進(jìn)行光譜分析