127多普勒效應(yīng)教案

10．7 多普勒效應(yīng)一、教學(xué)目標(biāo)１知道波源的頻率與觀看者接收到的頻率的區(qū)分．解一些它的應(yīng)用．二、教學(xué)重點(diǎn)：多普勒效應(yīng)產(chǎn)生的緣由三、教學(xué)方法：多媒體關(guān)心教學(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〕引入課我們在前面的爭論中，波源和觀看者都是相對介質(zhì)靜止的，波源的頻率和觀看者感覺到的頻率是一樣的，假設(shè)波源或觀看者或它們兩者均相對介質(zhì)運(yùn)動(dòng)，則觀看者感覺到的頻率和波源的真實(shí)頻率一般并不一樣，這種現(xiàn)象稱為多普勒效應(yīng)。火車進(jìn)站，笛聲較高，火車出站，笛聲較低，就是這種現(xiàn)象?！捕尺M(jìn)展課【板書】第八節(jié)多普勒效應(yīng)一、多普勒效應(yīng)為了便于爭論，我們可分三種狀況來爭論多普勒效應(yīng)。設(shè)波速為v，觀看者運(yùn)動(dòng)速度為v，波源運(yùn)動(dòng)速度為v，均以介質(zhì)為參考系。人 源【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 =0，觀看者以速度v 相對介質(zhì)運(yùn)動(dòng)。源 人v=100m/sf=100HzT=0.01s，λ=Vt=1m。在波源、觀看者相對t=1s100個(gè)波傳到觀看者A位置〔由于在一個(gè)周期內(nèi)波向前傳播一個(gè)波長，觀看者感覺到的頻率與波源頻率一樣。當(dāng)波源不動(dòng)，觀看者以v人=10m/st=1sAB位置〔課本圖v×0個(gè)，這樣觀看者感受到的頻率〔f’=110Hz〕就比波源的頻率(f=100Hz)要高。假設(shè)觀看者遠(yuǎn)離波源運(yùn)動(dòng)，則在t=1sAC位置，感受到的波的個(gè)數(shù)為：n=(v-v人)t=(100-10)×1=90個(gè)，這樣觀看者感受到的頻率〔f’=90Hz〕就比波源的頻率(f=100Hz)要低。同學(xué)們可以思考一下假設(shè)觀看者遠(yuǎn)離波源的運(yùn)動(dòng)速度v =100m/s或v 人 人觀看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、觀看者相對于介質(zhì)靜止，波源以速度v 相對介質(zhì)運(yùn)動(dòng)。源課本圖10-37所示，設(shè)觀看者在A位置不動(dòng)，波源以v =10m/s的速度向觀看者運(yùn)動(dòng)，此源時(shí)相對觀看者來說波速為：v+v =100+10=110m/s，因此觀看者在t=1s里感受到的波有110個(gè)，源所以觀看者感受到的頻率〔f’=110Hz〕就比波源的頻率(f=100Hz)要高。要留意的是，在波源運(yùn)動(dòng)的過程中，波速實(shí)際上并不轉(zhuǎn)變，但在一樣的距離中卻多了10個(gè)完整的波，這是波在介質(zhì)中被均勻擠壓，使波長變短了的原因，如圖10-26所示。同理，假設(shè)波源遠(yuǎn)離觀看者，則觀看者感受到的頻率就比波源的頻率要低?！景鍟?、波源、觀看者同時(shí)相對介質(zhì)運(yùn)動(dòng)?？梢龑?dǎo)學(xué)生進(jìn)展思考爭論，加深對多普勒效應(yīng)的理解。當(dāng)波源與觀看者相對運(yùn)動(dòng)時(shí)，假設(shè)二者相互靠近，觀看者感覺到的頻率將增大；假設(shè)二者相互遠(yuǎn)離，觀看者感覺到的頻率將減小?！踩痴n件演示，課堂小結(jié)翻開計(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)生再次留下清楚直觀的印象，從而收到良好的教學(xué)效果〕〔四〕課堂練習(xí)觀看者站在鐵道旁，一輛以某一速度運(yùn)動(dòng)的火車向觀看者迎面駛來，同時(shí)發(fā)出汽笛聲，〔〕A．觀看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．傳向觀看者的聲波的波長變短 Ｄ．傳向觀看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)，以下說法正確的選項(xiàng)是〔〕A．多普勒效應(yīng)是由于波的干預(yù)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)是由于波源與觀看者之間的相對運(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．越來越消沉 Ｃ．變高 Ｄ．不知聲速和火車車速，不能推斷教學(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)生承受，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)中要留意不宜引伸．２、多普勒效應(yīng)是在波源與觀看者之間有相對運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的現(xiàn)象，這比波動(dòng)現(xiàn)象又簡單了一些．要理解多普勒效應(yīng)，學(xué)生必需先知道波源的頻率與觀看者接收到的頻率的區(qū)分，這是學(xué)習(xí)本節(jié)的關(guān)鍵．課本結(jié)合示意圖重點(diǎn)說明白這一問題．教學(xué)中可結(jié)合學(xué)生實(shí)際進(jìn)展講解．３、本節(jié)有一“旁批”，用“極端假設(shè)”的方法，幫助學(xué)生想象觀看者遠(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，還可依據(jù)實(shí)際狀況補(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》〔其次冊〕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)用格外廣泛，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)狀況，流體的流淌，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)爭論簡介如下：一、什么是多普勒效應(yīng)在日常生活中，我們有過這樣的閱歷，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看者相對于介質(zhì)有相對運(yùn)動(dòng)時(shí)，觀看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年首先覺察的，因此以他的名字命名．二、多普勒效應(yīng)的演示試驗(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轉(zhuǎn)變，而是由于聲源和觀看者之間有相對運(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〕，做如下演示試驗(yàn)．18ｍｍ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．假設(shè)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．假設(shè)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浪變密、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浪變疏，波長增大，左槽壁接收圓波的頻率變小，波形如圖2所示〔做該試驗(yàn)時(shí)，水槽盡量大些，為削減反射波的影響，可用多層紗布條縫疊在一起，掛在水槽壁內(nèi)，以吸取傳到槽壁的圓波〕．2該試驗(yàn)儀器構(gòu)造簡潔，易于取材，制作簡便，便于操作，直觀性強(qiáng)，可信度高，具有較好的試驗(yàn)效果．試驗(yàn)結(jié)果說明，單振子〔振源〕本身的頻率并沒有轉(zhuǎn)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狀況相類似了．通過該試驗(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)波源與觀看者有相對運(yùn)動(dòng)時(shí)，假設(shè)二者相互接近，觀察者接收到波的頻率增大；假設(shè)二者遠(yuǎn)離，觀看者接收到波的頻率減?。畬τ谶@種變化關(guān)系，下面筆者由淺入深地分三種狀況針對聲波做如下爭論．首先，設(shè)聲源速度為ｖ，接收者速度為ｖ，ｖ表示聲波在介質(zhì)中的傳播速度，當(dāng)聲源向* B接收者運(yùn)動(dòng)時(shí)，ｖ取正值，而背離接收者運(yùn)動(dòng)時(shí)，ｖ

取負(fù)值；當(dāng)觀看者向聲源運(yùn)動(dòng)時(shí)，ｖＳ取正值，而背離聲源運(yùn)動(dòng)時(shí)，ｖB

* B取負(fù)值，波速ｖ總?cè)≌担曉床粍?dòng)，觀看者以速度ｖBｖ＝0、ｖ≠0S B如觀看者向著聲源運(yùn)動(dòng)，則ｖ＞0．因觀看者以速度ｖB迎向聲源運(yùn)動(dòng)，相當(dāng)于波以速度Bｖ＋ｖ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Bν′＝〔ｖ＋ｖ〕／λ＝〔ｖ＋ｖ／〔ｖＴ〕＝［〔ｖ＋ｖ〕／ｖ］ν＝［1＋〔ｖB B〕 B B／ｖ〕］ν． ①該式說明：當(dāng)觀看者向聲源運(yùn)動(dòng)時(shí)，接收到的頻率ν′為聲源頻率的［1＋〔ｖ／ｖ〕］B倍；當(dāng)觀看者背離聲源運(yùn)動(dòng)時(shí)，ｖ＜0，則ν′＜ν，即觀看者接收到的頻率ν′小于聲源B的振動(dòng)頻率ν．讀者可自行分析當(dāng)ｖ＝－ｖ時(shí)，會(huì)發(fā)生什么狀況?B觀看者不動(dòng)，聲源以速度ｖ相對于介質(zhì)運(yùn)動(dòng)，即ｖ＝0，ｖ

≠0* Ｂ Ｓ3ｖ＞0．假定ｖ＜ｖ，由于聲速僅打算于介質(zhì)的性質(zhì)，* ＳT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．3中實(shí)線所示；但假設(shè)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而到達(dá)S′3S′、B′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－ｖＴ＝ｖＴ－ｖＴ＝〔ｖ－ｖ

／ν．* Ｓ Ｓ所以觀看者在單位時(shí)間內(nèi)接收到的波數(shù)為ν′＝ｖ／λ′＝[ｖ／〔ｖ－ｖ〕]ν． ②Ｓｖ／〔ｖ－ｖ〕Ｓ倍．如聲源背離觀看者運(yùn)動(dòng)，則ｖ＜0，所以有ν′＜ν，即觀看者接收到的頻率比聲源頻Ｓ率降低了．現(xiàn)在我們就不難明白前述火車相對觀看者運(yùn)動(dòng)時(shí)音調(diào)變化的本質(zhì)緣由了．從以上所爭論的兩種狀況中，我們不難看出，無論是接收者相對介質(zhì)運(yùn)動(dòng)還是聲源相者是由相對波速的變化引起，而后者是由波長的變化引起．依據(jù)以上兩種狀況的爭論，我們可以很簡潔證明，當(dāng)觀看者和聲源同時(shí)相對介質(zhì)運(yùn)動(dòng)，即ｖ≠0、ｖ≠0時(shí)，觀看者接收到Ｂ Ｓ聲波的頻率為ν′〔ｖ＋ｖ／〔ｖ－ｖ／ν]〔ｖ＋ｖ

ν． ③Ｂ Ｓ Ｂ Ｓ該式也可以說是以上兩種爭論的綜合，假設(shè)在ｖ和ｖ兩個(gè)量中有一個(gè)為零時(shí)，就可* Ｂ得出上面的①、②式分別所表示的兩種狀況．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)家正是依據(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)展光譜分析，覺察了“紅移”現(xiàn)象，從而有