人教版(新教材)高中物理選擇性必修1學案2：3 5 多普勒效應

人教版（新教材）高中物理選擇性必修第一冊PAGEPAGE13.5多普勒效應〖學習目標〗1．知道什么是多普勒效應，了解多普勒效應產生的原因.2．了解多普勒效應在生活中的應用，會用多普勒效應解釋一些現(xiàn)象．〖知識梳理〗一、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，接收到的都會發(fā)生變化的現(xiàn)象．2．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(shù)目是的，觀察者接收到的頻率波源振動的頻率．3．當波源與觀察者相互靠近時，1s內通過觀察者的波峰(或密部)的數(shù)目，接收到的頻率；反之，當波源與觀察者互相遠離時，接收到的頻率．二、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(jù)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．〖要點剖析〗一多普勒效應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頻率都會發(fā)生變化，這種現(xiàn)象叫作多普勒效應．波源完成一次全振動，向外發(fā)出一個波長的波，稱為一個完全波，頻率表示單位時間內完成的全振動的次數(shù)．因此波源的頻率又等于單位時間內波源發(fā)出的完全波的個數(shù)．觀察者聽到的聲音的音調，是由觀察者接收到的頻率，即單位時間內接收到的完全波的個數(shù)決定的．總結1發(fā)生多普勒效應時，波源的頻率并沒有變化，只是觀察者接收到的波的頻率發(fā)生了變化.波源與觀察者如果相互靠近，觀察者接收到的頻率增大；二者如果相互遠離，觀察者接收到的頻率減小.2多普勒效應是波動過程所共有的特征，一切波，如機械波、電磁波、光波都會發(fā)生多普勒效應.2．形成多普勒效應的原因以聲波為例分析如下：(1)波源與觀察者相對于介質均為靜止的情況觀察者所接收到的頻率與波源的振動頻率相同，這時不會出現(xiàn)多普勒效應．(2)波源靜止而觀察者運動的情況若觀察者朝波源運動，由于觀察者迎著波傳來的方向運動，使得觀察者在單位時間內接收到的完全波的個數(shù)大于波源發(fā)出的完全波的個數(shù)，即觀察者接收的頻率高于波源頻率；同理，若觀察者背離波源即順著波的傳播方向運動，觀察者接收的頻率低于波源頻率．(3)觀察者靜止而波源運動的情況當波源S向觀察者O運動時，波源在前進過程中，不斷地發(fā)射出波，已經發(fā)射出的波仍以波速v前進，而后繼波的波源地點(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．波在介質中的傳播速度并沒有改變，觀察者在波源右方時，即波源接近觀察者時，觀察者在單位時間內接收到的完全波的個數(shù)增多，即接收到的頻率增大．同樣道理，觀察者在波源左方時，即波源遠離觀察者時，接收到的頻率減小．拓展(1)波源不動而觀察者運動時，引起接收頻率的變化是由于觀察者接收到的波數(shù)增多或減少造成的．(2)當觀察者不動而波源運動時，引起接收頻率的變化是由于波長的改變而引起的．3．發(fā)生多普勒效應的幾種情況相對位置圖示結論波源S和觀察者A相對于介質不動f波源＝f觀察者，音調不變波源S不動，觀察者A運動，由A→B或由A→C若靠近波源，由A→B，則f波源<f觀察者，音調變高；若遠離波源，由A→C，則f波源>f觀察者，音調變低觀察者A、B不動，波源S運動，由S1→S2對于觀察者A，f波源<f觀察者，音調變高；對于觀察者B，f波源>f觀察者，音調變低總結(1)多普勒效應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度發(fā)生變化的現(xiàn)象，要正確區(qū)分頻率和強度這兩個物理量．(2)多普勒效應的產生不取決于波源和觀察者相距多遠，而取決于波源和觀察者相對運動速度的大小和方向．(3)波的傳播速度不因波源的移動而改變．(4)觀察者垂直于波的傳播方向移動時，不產生多普勒效應．〖典例精析〗例1下面說法中不正確的是()A．發(fā)生多普勒效應時，波源的頻率變化了B．發(fā)生多普勒效應時，觀察者接收到的頻率發(fā)生了變化C．多普勒效應是在波源與觀察者之間有相對運動時產生的D．多普勒效應是由奧地利物理學家多普勒首先發(fā)現(xiàn)的二多普勒效應的應用1．超聲波測速交通警察向行進中的汽車發(fā)射一個已知頻率的超聲波，波被運動的汽車反射回來時，接收到的頻率發(fā)生變化，由此可知汽車的速度．2．根據(jù)光的多普勒效應，在地球上接收到的遙遠天體發(fā)出的光波頻率，與地球上相應元素靜止時發(fā)光的頻率對照，可以判斷遙遠天體相對地球的運動速度．3．醫(yī)用“彩超”：向人體發(fā)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化，就能知道血流的速度，據(jù)此診斷疾?。?．可據(jù)火車汽笛的音調的變化判斷火車是進站還是出站；據(jù)炮彈飛行的尖叫聲判斷炮彈飛行的方向等．拓展超聲波(1)定義：頻率高于2×104Hz的聲波叫超聲波．(2)特點：頻率大，波長短，因而衍射不明顯；穿透力強，能透過幾米厚的金屬．動物也可以發(fā)射和接收超聲波．例2(多選)下列哪些應用是利用多普勒效應()A．利用地球上接收到的遙遠天體發(fā)出的光波的頻率來判斷遙遠天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)射一個已知頻率的電磁波，波被運動的汽車反射回來，根據(jù)接收到的電磁波頻率發(fā)生的變化，就能知道汽車的速度，以便于進行交通管理C．鐵路工人用耳貼在鐵軌上可判斷火車的運動情況D．有經驗的戰(zhàn)士從炮彈飛行的尖叫聲就能判斷飛行的炮彈是接近還是遠去三多普勒效應的定量計算設u表示波源相對介質的速度，v表示觀察者相對介質的速度，V表示波的傳播速度；f和f′分別表示波源頻率和觀察者接收到的頻率．(1)波源和觀察者相對介質都不動：觀察者接收到的頻率是單位時間內通過觀察者的完全波數(shù)，故f′＝eq\f(V,λ)＝f，即接收到的頻率等于波源的頻率．(2)波源相對介質不動，而觀察者向波源運動：則波對觀察者的速度為(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，當觀察者遠離波源運動時，觀察者接收到的頻率減小，f′＝(1－eq\f(v,V))f.(3)觀察者靜止，波源以速度u向觀察者運動：波速V與波源的運動無關，但波長被壓縮為λ′＝λ－uT，故觀察者接收到的頻率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，當波源遠離觀察者時，接收到的頻率減小，f′＝eq\f(V,V＋u)f.(4)若波源和觀察者都相對介質運動，則相向運動：f′＝eq\f(V＋v,V－u)f；反向運動：f′＝eq\f(V－v,V＋u)f.例3火車以20m/s的速度向一靜止觀察者駛近，機車鳴笛2s之久，聲速為340m/s，問：(1)觀察者聽到的汽笛聲持續(xù)多久？(2)如果火車以同樣的速度從觀察者身邊駛過，則觀察者前后聽到的聲音的頻率之比是多少？

〖課堂達標〗1．(多選)如圖所示，為一波源O做勻速直線運動時在均勻介質中產生球面波的情況，則()A．該波源正在移向a點 B．該波源正在移向b點C．在a處觀察波的頻率變低 D．在b處觀察波的頻率變低2．(多選)站在火車站臺上的旅客聽到路過的火車鳴笛聲的音調變化情況，以下說法正確的是()A．當火車進站時，鳴笛聲的音調變低 B．當火車進站時，鳴笛聲的音調變高C．當火車離站時，鳴笛聲的音調變低 D．當火車離站時，鳴笛聲的音調變高3．下列哪些現(xiàn)象屬于多普勒效應()A．夏日雷聲轟鳴不絕B．有兩只相同的音叉，若一只被敲擊振動發(fā)聲，發(fā)現(xiàn)另一只也振動發(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”4．(多選)上課時老師將一蜂鳴器固定在教鞭一端后迅速水平旋轉，蜂鳴器音調竟然忽高忽低變化，下列判斷正確的是()A．旋轉時蜂鳴器發(fā)出的頻率變化了B．由于旋轉，改變了同學們聽到的聲音頻率C．蜂鳴器音調變高時，一定是向靠近觀察者的方向運動D．音調的忽高忽低是由波的干涉造成的5．野生大象群也有自己的“語言”．研究人員錄下象群“語言”交流時發(fā)出的聲音，發(fā)現(xiàn)以2倍速度快速播放錄音時,能聽到比正常播放時更多的聲音．播放速度變?yōu)樵瓉淼?倍時，播出聲波的(選填“周期”或“頻率”)也變?yōu)樵瓉淼?倍，聲波傳播速度(選填“變大”“變小”或“不變”)．

▁▃▅▇█參*考*答*案█▇▅▃▁〖知識梳理〗一、波的頻率一定等于增加增加變小二、頻率已知反射波變化的多少反射頻率變化頻率靜止〖要點剖析〗例1〖解析〗當波源與觀察者之間有相對運動時會發(fā)生多普勒效應，選項C正確；發(fā)生多普勒效應時，觀察者接收到的頻率發(fā)生了變化，而波源的頻率沒有改變，故選項A錯誤，選項B正確；此現(xiàn)象是奧地利物理學家多普勒首先發(fā)現(xiàn)的．選項D正確．〖答案〗A例2〖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測定遙遠天體相對地球運動的速度，故A正確．被運動的物體反射的電磁波，相當于運動的物體發(fā)出的電磁波，該電磁波的頻率發(fā)生變化，由多普勒效應的計算公式可以求出運動物體的速度，故B項正確．對于C選項，鐵路工人是根據(jù)振動的強弱來對火車的運動做出判斷的，故不正確．炮彈飛行時與空氣摩擦產生聲波，人耳接收到的聲波的頻率與炮彈的相對運動方向有關，故D項正確．故正確〖答案〗為A、B、D.〖答案〗ABD例3〖解析〗(1)觀察者相對介質靜止，波源以速度v向觀察者運動，聲波相對觀察者的速度不變仍為u，t時間內產生波的總長度L＝(u－v)t，所以經過觀察者的時間為t′＝eq\f(u－v,u)t＝eq\f(340－20,340)×2s≈1.882s.(2)火車向觀察者駛近時，觀察者聽到的頻率為f1＝eq\f(u,u－v)f0.火車從觀察者身邊遠離時，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〖課堂達標〗1.〖答案〗AD〖解析〗波源在某一位置產生一列波面后，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生位置，即波源．波面半徑大，表示產生時間早，傳播時間長．對照圖示，可確定出波源由右向左運動，故A項對，B項錯．由于觀察者不動，故波面經過觀察者的速度等于波速，而在a處觀察時，相鄰波面間距比波源不動時間距小，因而經過觀察者時間間隔短，頻率大，同理在b處時間間隔長、頻率小，故C項錯，D項對．2.〖答案〗BC〖解析〗音調由頻率決定，頻率大時音調高，頻率小時音調低，火車進站時旅客接收到的頻率會變大，故音調變高，B項正確；火車離站時，旅客接收到的頻率會變小，故音調會變低，C項正確．3.〖答案〗C〖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，若一只被敲擊振動發(fā)聲，發(fā)現(xiàn)