选择性必修 第一册第四节 多普勒效应学案

这是一份选择性必修 第一册第四节 多普勒效应学案，共13页。

2．相对法理解多普勒效应．
3．探究声波的多普勒效应．
4．了解多普勒效应的应用．
知识点一 认识多普勒效应
1．定义
如果波源或观察者或两者都相对于传播介质运动，那么观察者接收到的频率与波源发出的频率就不相同了．这样的现象叫作多普勒效应．
2．多普勒效应产生的原因
(1)波源与观察者相对静止时，单位时间内通过观察者的完全波的个数是一定的，观察者观测到频率等于波源振动的频率．
(2)波源与观察者相互靠近时，单位时间内通过观察者的完全波的个数增加，观察者观测到的频率大于波源的频率，即观察到的频率增大．
(3)波源与观察者相互远离时，观察到的频率变小．
知识点二 多普勒效应的应用
1．铁路工人可以从火车的汽笛声判断火车的运行方向和快慢．
2．交警向汽车发射电磁波，通过分析反射回来的电磁波的频率可以测出汽车的速度．
3．根据光的多普勒效应，由地球上接收到遥远天体发出的光波频率，判断遥远天体相对地球的运动速度．
4．利用彩色多普勒超声图像分析病情．
1．思考判断(正确的打“√”，错误的打“×”)．
(1)铁路工人用耳贴在铁轨上判断火车的运动情况是利用多普勒效应．(×)
(2)有经验的战士从炮弹飞行的声音判断飞行的炮弹是接近还是远去．(√)
(3)交警向行驶中的汽车发射一个已知频率的电磁波，波被运动的汽车反射回来时，根据接收到的波的频率发生的变化，就可知汽车的速度，以便于交通管理．(√)
(4)多普勒效应的发生是因为波源的振动频率发生了变化．(×)
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，观察者接收到的频率发生了变化
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科学家多普勒首先发现
BCD [该题考查对多普勒效应的理解．当波源和观察者之间有相对运动时，会发生多普勒效应，C正确；但波源的频率并没有发生变化，A错误；多普勒效应产生的本质是观察者接收到的频率不等于波源频率，它首先由奥地利科学家多普勒发现，B、D正确．]
3．关于多普勒效应，下列说法中正确的是( )
A．多普勒效应是由波的干涉引起的
B．多普勒效应说明波源的频率发生变化
C．多普勒效应是由于波源与观察者之间有相对运动而产生的
D．只有声波才可以产生多普勒效应
C [在多普勒效应中，波源的频率是不改变的，只是由于波源和观察者之间有相对运动，观察者感觉到的频率发生了变化．多普勒效应是波动过程共有的特征，电磁波和光波也会发生多普勒效应．故C正确．]
某大学利用多普勒效应对某颗人造卫星进行了跟踪试验．科学家发现，当卫星向近地点运动时返回的信号频率增加，卫星向远地点运动时返回的信号频率降低．
(1)波源的频率由谁决定？
(2)观察者接收到的频率与哪些因素有关？
提示：(1)由波源决定．
(2)观察者接收到的频率与波源的频率、波源与观察者的相对运动有关．
考点 多普勒效应
1．发生多普勒效应时几种情况的比较．
2．当波源与观察者相互接近，观察者接收到的频率f观察者变大，反之观察者接收到的频率f观察者变小．
3．发生多普勒效应时，不论观察者接收到的频率发生了怎样的变化，波源的真实频率并不会发生任何变化．
【典例】 (多选)假如一辆汽车在静止时喇叭发出声音的频率是300 Hz，在汽车向你驶来又擦身而过的过程中，下列说法正确的是( )
A．当汽车向你驶来时，听到喇叭声音的频率大于300 Hz
B．当汽车向你驶来时，听到喇叭声音的频率小于300 Hz
C．当汽车和你擦身而过后，听到喇叭声音的频率大于300 Hz
D．当汽车和你擦身而过后，听到喇叭声音的频率小于 300 Hz
[思路点拨] 解答本题时应把握以下两点：
(1)当观察者与波源的距离减小时，观察者接收到的频率变大．
(2)当观察者与波源的距离增大时，观察者接收到的频率变小．
AD [当汽车向你驶来时，两者距离减小，你单位时间内接收的声波个数增多，频率升高，将大于300 Hz，故A正确；当汽车和你擦身而过后，两者距离变大，你单位时间内接收的声波个数减少，频率降低，将小于300 Hz，故D正确．]
多普勒效应的分析方法
(1)确定研究对象．(波源与观察者)
(2)确定波源与观察者是否有相对运动．若有相对运动，能发生多普勒效应，否则不发生．
(3)判断：当两者远离时，观察者接收到的波的频率变小，靠近时观察者接收到的波的频率变大，但波源的频率不变．
[跟进训练]
训练角度1 多普勒效应现象分析
1．波源的振动频率为f，当波源运动时，波源前方的静止观察者接收到的频率为f1，波源后方的静止观察者接收到的频率为f2，则有( )
A．f>f1 B．ff2
D [f由波源每秒钟所振动的次数决定，介质振动的频率由波源频率及波源相对介质是否移动来决定，当观察者远离波源过程中，观察者接收到的机械波频率比观察者静止时接收到的频率小；当观察者靠近波源过程中，观察者接收到的机械波频率比观察者静止时接收到的频率大，所以f>f2，f1>f，由上可知f1>f2，故D正确，A、B、C错误．]
训练角度2 多普勒效应应用
2．(多选)关于多普勒效应的应用，下列说法中正确的是( )
A．星系谱线的“红移”现象
B．利用多普勒效应可以从火车的笛声中判断出运动方向
C．利用多普勒效应可以判断遥远的天体相对地球的运动速度
D．目前在技术上人们只能应用声波发生的多普勒效应
ABC [A、B、C是多普勒效应的三个应用，多普勒效应在光波、声波、电磁波等都有应用，故D错误．]
1．(多选)静止在站台上的火车鸣笛，站在远处的人听到了汽笛声．后来他又听到这列火车行驶时的汽笛声．他根据听到的汽笛声音判断火车行驶的方向．以下判断正确的是( )
A．当听到的声音音调变低，则火车离他远去
B．当听到的声音音调变低，则火车向着他驶来
C．当听到的声音音调变高，则火车离他远去
D．当听到的声音音调变高，则火车向着他驶来
AD [当听到的声音音调变低，说明接收到的声音的频率变小，表明火车离他远去，故A正确，B错误；当听到的声音音调变高，说明接收到的声音的频率变大，则火车向着他驶来，故C错误，D正确，故选A、D．]
2．下列科学技术在实际的应用中不是应用多普勒效应的是( )
A．医生利用超声波探测病人血管中血液的流速
B．技术人员用超声波检测金属、陶瓷、混凝土中是否有气泡
C．交警向行进中的车辆发射频率已知的超声波，根据反射波频率变化检测车的速度
D．利用地球上接收到遥远天体发出的光的频率来判断遥远天体远离或靠近地球的速度
B [医生利用超声波探测病人血管中血液的流速利用声波的多普勒效应；技术人员用超声波探测金属、陶瓷、混凝土中是否有气泡利用的是超声波的穿透能力强，与多普勒效应无关；交通警察对行进中的汽车发射一个已知频率的超声波，波被运动的汽车反射回来，根据接收到的频率发生变化，来知道汽车的速度，以便于进行交通管理，利用了多普勒效应；利用地球上接收到遥远天体发出的原子光谱线的移动来判断遥远天体相对地球运动的速度，利用了多普勒效应，本题选不是应用多普勒效应的，故选B．]
3．(2022·江苏南京田家炳高级中学高二阶段练习)如图所示是产生机械波的波源O做匀速运动的情况，图中的圆表示波峰．下列说法中错误的是( )
A．该图表示的是多普勒现象
B．此时波源正在向A观测者靠近
C．CD两位观测者此时接收到的频率和波源发出的频率相等
D．B观测者此时接收到的频率小于波源发出的频率
C [该图表示由波源移动而引起的多普勒效应，故A正确，不符合题意；由图可知，观测者A在单位时间内接收到的完全波的个数最多，说明波源向A观测者靠近，故B正确，不符合题意；波源与CD观测者间的距离不断增大，故接收到的频率小于波源发出的频率，故C错误，符合题意；波源与观测者B的距离不断增大，故观测者接收到的频率小于波源发出的频率，故D正确，不符合题意．]
4．如图所示，在公路的十字路口东侧路边，甲以速度v1向东行走，在路口北侧，乙站在路边，一辆汽车以速度v2通过路口向东行驶并鸣笛，已知汽车笛声的频率为f0，车速v2>v1．甲听到的笛声的频率为f1，乙听到的笛声的频率为f2，司机自己听到的笛声的频率为f3，则此三人听到笛声的频率由高至低依次为____________．
[解析] 由于v2＞v1，所以汽车和甲的相对距离减小，甲听到的频率变大，即f1＞f0．由于乙静止不动，汽车和乙的相对距离增大，乙听到的频率变小，即f2＜f0．由于司机和声源相对静止，所以司机听到的频率不变，即f3＝f0，综上所述，三人听到笛声的频率由高至低依次为f1、f3、f2．
[答案] f1、f3、f2
回顾本节内容，自主完成以下问题：
1．发生多普勒效应时是波源频率发生变化还是观察者接收到的频率发生变化？
提示：观察者接收到的频率发生变化．
2．观察者接收到的频率发生变化与什么有关？
提示：波源与观察者是否相对运动．
课时分层作业(十一) 多普勒效应
1．(多选)(2022·湖北鄂州市鄂城区教学研究室高二期中)目前，多普勒效应已在科学研究、工程技术和医疗诊断等各方面有着十分广泛的应用．关于多普勒效应，下面说法正确的是( )
A．有经验的战士从炮弹飞行的声音就能判断飞行的炮弹是接近还是远去
B．医院检查身体的“彩超”仪运用了多普勒效应原理
C．发生雷电时，人们利用看见闪电与听见雷声的时间间隔来估算自己与雷电发生处之间的距离，这是利用了多普勒效应原理
D．高速公路上的测速仪就是应用多普勒效应来测速的
ABD [炮弹飞行时与空气摩擦产生声波，人耳接收到的声波的频率与炮弹的相对运动方向有关，故A正确；医院检查身体的“彩超”仪是通过测出反射波的频率变化来确定血流的速度，显然是运用了多普勒效应原理，故B正确；发生雷电时，人们利用看见闪电与听见雷声的时间间隔来估算自己与雷电发生处之间的距离是通过光速远大于声速，用这个时间间隔乘以声速来估算的，故不属于多普勒效应原理的应用，故C错误；测速仪对运动中的汽车发射一个已知频率的电磁波，电磁波被运动的汽车反射回来，根据接收到的电磁波频率来知道汽车的速度，以便于进行交通管理，利用了多普勒效应原理，故D正确．]
2．(多选)关于多普勒效应，下列说法正确的是( )
A．只要波源在运动，就一定能观察到多普勒效应
B．只要观察者在运动，就一定能观察到多普勒效应
C．只要波源与观察者之间有相对运动，就一定能观察到多普勒效应
D．当发生多普勒效应时，观察者感觉到的频率可能在增大，也可能在减小
CD [若波源与观察者一起同方向、同速度运动，则观察者观察不到多普勒效应，故C、D正确．]
3．波源振动的频率为f0，波源在介质中运动时，波源前方介质振动的频率为f1，波源后方介质振动的频率为f2，则三者的关系为( )
A．f1＝f2＝f0 B．f1＝f2＞f0
C．f1＝f2D [f0由波源每秒钟所振动的次数决定，介质振动的频率由波源频率及波源相对介质是否移动来决定．波源运动时，在波源前方介质振动的频率高于波源振动的频率，波源后方介质振动的频率低于波源振动的频率，故D正确．]
4．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(uA．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
B [在发生多普勒效应时，声源发出声音在介质中的传播速度是不变的，声源的频率也是不变的，只有接收者收到声音的频率发生变化，故B正确．]
5．(多选)我国自主研发的“海翼”号深海滑翔机，刷新了下潜深度的世界纪录．悬停在深海中某处的滑翔机发出声呐信号(超声波)的频率为f，在该处海水中的传播速度为v，若停在海面上的监测船收到的频率稍大于滑翔机发出声呐信号的频率，则下列说法正确的是( )
A．声呐信号在该处海水中的波长为fv
B．声呐信号在该处海水中的波长为vf
C．滑翔机正在靠近该监测船
D．滑翔机正在远离该监测船
BC [由波速定义v＝fλ得λ＝vf，A错误，B正确；根据多普勒效应，当滑翔机靠近监测船时，监测船接收到的频率大于滑翔机发出声呐信号的频率，C正确，D错误．]
6．如图所示，装有多普勒测速仪的汽车测速监视器安装在公路旁，它向行驶中的车辆发射已知频率的超声波，并接收被车辆反射回来的反射波．当某汽车向测速监视器靠近时，被该汽车反射回来的反射波与测速监视器发出的超声波相比( )
A．频率不变，波速变小
B．波速不变，频率变小
C．频率不变，波速变大
D．波速不变，频率变大
D [波速由介质决定，所以被该汽车反射回来的反射超声波与测速监视器发出的超声波相比波速不变，根据声音的多普勒效应，声源和观察者靠近时接收频率变高，所以被该汽车反射回来的反射波与发出的超声波相比频率变大，故D正确，A、B、C错误．]
7．某人站在地面上某处，一架飞机由远及近从人的头顶上方匀速飞过，则人听到飞机发出声音的频率( )
A．越来越低 B．越来越高
C．先变高后变低 D．先变低后变高
A [当飞机飞近人时，将飞机的速度分解，如图甲所示，飞机相对人的速度为v1＝v cs α，α越来越大，则v1越来越小，即人听到飞机声音的频率越来越低，但总是f听>f源．当飞机远离人时，将飞机的速度分解如图乙所示，飞机相对人的速度v3＝v cs α，α越来越小，则v3越来越大，即人听到飞机声音的频率越来越低，且都是f听f源；恰好在人头顶正上方时，f听＝f源；越过头顶正上方之后，f听]
8．轮船在进港途中的x-t图像如图所示，则在港口所测到轮船上雾笛发出声音的频率是图中的哪一个( )
A B
C D
A [匀速靠近港口的过程中，测量到的频率不随时间变化，但速度大时频率大，由x-t图像可知，轮船靠近港口时三段时间内的速度v1>v3>v2，可知f1>f3>f2，故A正确．]
9．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，反射回的频率应怎样变化？
[解析] (1)选C．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)因巡警车接收到的频率变低，由多普勒效应知巡警车与轿车在相互远离，而巡警车车速恒定又在后面，可判断轿车车速比巡警车车速大，故轿车超速．
(3)若轿车以20 m/s的速度行进，此时巡警车与轿车在相互靠近，由多普勒效应知反射回的频率应变高．
[答案] (1)C (2)超速 (3)变高
相对位置
图示
结论
波源S和观察者A相对介质不动
f波源＝f观察者，接收频率不变
波源S不动，观察者A运动，由A→B或A→C
若靠近波源，由A→B则f波源＜f观察者，接收频率变高
若远离波源，由A→C则f波源＞f观察者，接收频率变低
若观察者A不动，而波源S运动，由S1→S2
f波源＜f观察者，接收频率变高