粤教版 (2019)选择性必修 第一册第四节 多普勒效应导学案

多普勒效应

1．理解波源频率与观察者接收到的频率的区别。

2．理解多普勒效应产生的原因。

3．能应用多普勒效应解释相关问题。

多普勒效应

[情境导学]

一列火车匀速驶过，这时站在路旁的工人师傅听到火车声的声波的频率等于火车产生的声波的频率吗？为什么？

提示：不等于。原因是发生了多普勒效应。

[知识梳理]

1．认识多普勒效应

波源或观察者或两者都相对于传播介质运动，观察者接收到的频率与波源发出的频率就不相同的现象。

2．多普勒效应产生的原因

(1)当波源与观察者相对静止时，观察者接收到的频率等于波源振动的频率。

(2)当波源与观察者相向运动时，观察者接收到的频率增加(填“增加”或“减小”)；反之，当波源与观察者互相远离时，观察者接收到的频率减小。(填“增加”或“减小”)

3．多普勒效应的应用

(1)判断和测量车辆速度

①修理铁路的工人可以根据汽笛声判断火车的运行方向和快慢。

②交警向行进中的汽车发射已知频率的电磁波，可根据汽车反射回来的电磁波的频率测出汽车速度。

(2)判断天体运动情况

①由地球上接收到遥远天体发出的光波的频率，可以判断天体相对地球的速度。

②可以跟踪人造地球卫星。

(3)利用超声波测血流速度

当声源与接收体之间有相对运动时，回声的频率有所改变，这种频率的变化被称为频移。经进行多普勒信号处理，把频移与血流信号对应起来，通过处理频移信号可建立彩色多普勒超声血流图像，简称为彩超，在临床上被誉为“非创伤性血管造影”。

[初试小题]

1．判断正误。

(1)发生多普勒效应时，波源的频率没有发生变化。(√)

(2)当波源和观察者向同一个方向运动时，一定发生多普勒效应。(×)

(3)只有横波才能发生多普勒效应。(×)

(4)只有声波才能发生多普勒效应(×)

2．(多选)下列说法中正确的是(　　)

A．发生多普勒效应时，波源的频率变化了

B．发生多普勒效应时，观察者接收的频率发生了变化

C．多普勒效应是在波源与观察者之间有相对运动时产生的

D．多普勒效应是由奥地利物理学家多普勒首先发现的

解析：选BCD　当波源和观察者之间有相对运动时，会发生多普勒效应，但波源的频率并没有发生变化，A错误，C正确；多普勒效应的本质是观察者接收的频率不等于波源的频率，它是由奥地利物理学家多普勒首先发现，B、D正确。

3．思考题。

在炮弹由远处飞来从头顶呼啸而过的整个过程中，我们所听到的音调会发生怎样的变化？为什么？

提示：波源与观察者距离的变化会引起接收频率的变化，频率的变化会引起音调的变化，由于炮弹离我们先变近后变远，所以音调先变高后变低。

[例题1]　蝙蝠在洞穴中飞来飞去时，它利用的超声脉冲导航非常有效。这种超声脉冲是持续1 ms或不到1 ms的短促发射脉冲波，且每秒重复发射几次。假定蝙蝠的超声脉冲发射频率为39 000 Hz，在一次正朝着表面平直的墙壁飞扑期间，下列判断正确的是(　　)

A．墙壁接收到超声脉冲频率等于39 000 Hz

B．蝙蝠接收到从墙壁反射回来的超声脉冲频率等于墙壁接收的频率

C．蝙蝠接收到从墙壁反射回来的超声脉冲频率大于墙壁接收的频率

D．蝙蝠接收到从墙壁反射回来的超声脉冲频率等于39 000 Hz

[思路点拨]　“在一次正朝着表面平直的墙壁飞扑期间”说明蝙蝠与墙壁间的距离在减小，接收到的频率便会增大。

[解析]　蝙蝠在靠近墙壁运动，所以相当于波源在靠近接收器，故墙壁接收到的超声脉冲频率大于39 000 Hz，A错误；蝙蝠相对墙壁的运动与墙壁反射回来的超声波是相向运动的关系，所以蝙蝠接收到从墙壁反射回来的超声脉冲频率大于墙壁接收的频率，B错误，C正确；蝙蝠接收到从墙壁反射回来的超声脉冲频率大于39 000 Hz，D错误。

[答案]　C

观察者接收到的频率的判断

(1)声音的音调取决于频率，频率高则音调高，频率低则音调低。

(2)当波源与观察者相互靠近时，观察者接收到的频率大于波源频率，音调变高；反之，观察者接收到的频率小于波源频率，音调变低。　　　　

[针对训练]

1．(多选)一渔船向鱼群发出超声波，若鱼群正向渔船靠近，则被鱼群反射回来的超声波与发出的超声波相比(　　)

A．波速变大　　　　　 B．波速不变

C．频率变高 D．频率不变

解析：选BC　渔船与鱼群发生相对运动，被鱼群反射回来的超声波的速度大小不变；由多普勒效应知，反射回来的超声波的频率变高，故选项B、C正确。

2.(多选)将上下振动的振针水平移动，移动过程中在水面上形成了如图所示的水波图形，下列说法正确的是(　　)

A．振针向右移动

B．振针向左移动

C．在A处的观察者，接收到的水波频率比振针的振动频率小

D．在A处的观察者，接收到的水波频率比振针的振动频率大

解析：选AC　振针(波源)前进方向上的水波变得密集，在其反方向的水波变得稀疏，因此振针向右移动；由于波源远离观察者时，水波波长变长，观察者接收到的频率比振针的振动频率小，故A、C正确。

3．频率一定的声源在空气中向着静止的接收器匀速运动。以u表示声源的速度，v表示声波的速度(u<v)，f表示接收器接收到的频率。若u增大，则(　　)

A．f增大，v增大　　　　 B．f增大，v不变

C．f不变，v增大 D．f减小，v不变

解析：选B　由于声波的速度只由介质决定，故v不变，根据多普勒效应可知，当声源接近接收器时接收到的频率变高，f增大，故B项正确。

1．相对位置变化与频率的关系

2．成因归纳：根据以上分析可以知道，发生多普勒效应时，一定是由于波源与观察者之间发生了相对运动。

[例题2]　公路巡警开车在高速公路上以100 km/h的恒定速度巡查，在同一车道上巡警车向前方的一辆轿车发出一个已知频率的电磁波，结果该电磁波被那辆轿车反射回来时，巡警车接收到的电磁波频率比发出时低。

(1)此现象属于(　　)

A．波的衍射 B．波的干涉

C．多普勒效应 D．波的反射

(2)若该路段限速为100 km/h，则轿车是否超速？

(3)若轿车以20 m/s的速度行进，反射回的电磁波频率应怎样变化？

[解析]　(1)巡警车接收到的电磁波频率比发出时低，此现象为多普勒效应。

(2)因警车接收到的频率变低，由多普勒效应知警车与轿车在相互远离，而警车车速恒定又在后面，可判断轿车车速比警车车速大，大于100 km/h，故轿车超速。

(3)若轿车以20 m/s的速度行进，此时警车与轿车在相互靠近，由多普勒效应知反射回的电磁波频率应变高。

[答案]　(1)C　(2)超速　(3)变高

(1)多普勒效应是指所接收到的波的频率与波源频率不同的现象，并不是接收到波的强度发生变化的现象，要正确区分频率和强度这两个物理量。

(2)观察者垂直于波的传播方向移动时，不产生多普勒效应。

(3)波的传播速度不因波源的移动而改变。　　　　

[针对训练]

1．有经验的铁路养护人员可以从火车鸣笛的声音判断火车的行驶方向。他所利用的是声波的(　　)

A．干涉现象 B．衍射现象

C．多普勒效应 D．反射现象

解析：选C　根据多普勒效应现象，当火车运动方向靠近养护人员时，他听到的声音音调较高；火车远离养护人员时，他听到的声音音调较低。选项C正确。

2．(多选)当人听到声音的频率越来越低时，可能的原因是(　　)

A．声源和人都是静止的，声源振动的频率越来越低

B．人静止，声源远离人做匀速直线运动，声源振动的频率不变

C．人静止，声源远离人做匀加速直线运动，声源振动的频率不变

D．人静止，声源远离人做匀减速直线运动，声源振动的频率不变

解析：选AC　人听到的声音的频率越来越低，声源远离观察者，且远离的速度越来越大，也就是加速远离。所以A、C正确。

3．在平直公路上，汽车正在匀速远离，用多普勒测速仪向其发出频率为f0的超声波，被汽车反射回来的超声波的频率随汽车运动位移变化的图像，正确的是(　　)

解析：选D　汽车正在匀速远离，速度恒定，接收到的反射波的频率也是恒定的。由于是远离，汽车反射波的频率应该小于发出波的频率，所以选项D正确。

1．(多选)关于多普勒效应，以下说法正确的有(　　)

A．只有机械波才能产生多普勒效应

B．机械波、电磁波、光波等均能产生多普勒效应

C．产生多普勒效应的原因是波源的频率发生了变化

D．产生多普勒效应的原因是观察者接收到的频率发生了变化

解析：选BD　多普勒效应不仅仅适用于机械波，它也适用于所有类型的波，包括电磁波，故A错误，B正确；产生多普勒效应的原因是观察者与波源的相对运动导致观察者接收的频率发生了变化，故C错误，D正确。

2．(多选)下列选项与多普勒效应有关的是(　　)

A．科学家用激光测量月球与地球间的距离

B．医生利用超声波探测病人血管中血液的流速

C．技术人员用超声波探测金属、陶瓷、混凝土中是否有气泡

D．交通警察向车辆发射超声波并通过测量反射波的频率确定车辆行进的速度

解析：选BD　当观察者与测量对象无相对运动时，不发生多普勒效应，A、C错误；当观察者与测量对象相对运动时，发生多普勒效应，根据接收频率的变化可以进行测速，B、D正确。

3．(多选)一个机械波的波源S做匀速运动的情况如图所示，图中的圆表示机械波的波面，A、B、C、D是四个观察者的位置，由图可以看出(　　)

A．波源正在向A运动

B．波源正在向C运动

C．处在B点的观察者接收到的波的频率最低

D．处在A点的观察者接收到的波的频率最高

解析：选ACD　由题图可知，波源正在向A运动，故处在A点的观察者接收到的波的频率最高，处在B点的观察者接收到的波的频率最低，故A、C、D正确，B错误。

4．(多选)如图所示，男同学站立不动吹口哨，一位女同学坐在秋千上来回摆动，下列关于女同学的感受说法正确的是(　　)

A．女同学在从A向B运动的过程中，她感觉哨声音调变高

B．女同学在从E向D运动的过程中，她感觉哨声音调变高

C．女同学在C点向右运动时，她感觉哨声音调不变

D．女同学在C点向左运动时，她感觉哨声音调变低

解析：选AD　女同学在荡秋千的过程中，只要她有向右的速度，她就有靠近声源的趋势，根据多普勒效应，她都感到哨声音调变高；反之女同学向左运动时，她感到音调变低。选项A、D正确，选项B、C错误。

5.生活中经常用“呼啸而来”形容正在驶近的车辆，这是声波在传播过程中对接收者而言频率发生变化的表现，无线电波也具有这种效应。图中的测速雷达正在向一辆接近的车辆发出无线电波，并接收被车辆反射的无线电波，由于车辆的运动，接收的无线电波频率与发出时不同。利用频率差f接收－f发出就能计算出车辆的速度，已知发出和接收的频率间关系为f接收＝f发出，式中c为真空中的光速，若f发出＝2×109 Hz，f接收－f发出＝400 Hz，可知被测车辆的速度大小为________m/s。

解析：将f发出＝2×109 Hz，f接收－f发出＝400 Hz，c＝3×108 m/s，

代入f接收＝f发出，可得v车＝30 m/s。

答案：30