高中物理人教版 (新课标)选修35 多普勒效应教案

课时12.5　多普勒效应

　　1.通过实验感受多普勒效应。

2.初步定性解释多普勒效应产生的原因。

3.了解生活中常见的多普勒效应现象及其应用。

重点难点:多普勒效应概念及对多普勒效应的理解。

教学建议:本节主要以声波为例介绍多普勒效应,声波的多普勒效应比较常见,易于被学生接受。教材只对多普勒效应作定性的分析说明,使学生对多普勒效应有初步了解,教学中不宜作过多的理论引申。多普勒效应在生活中普遍存在,随着科学技术的发展,它的应用日益广泛,如交通管理、医疗检查等。给学生作些介绍,可以开阔他们的眼界。

导入新课:在日常生活中,我们都会有这样的经历,当一列鸣着汽笛的火车驶来时,会发现火车汽笛的音调变高;而当火车逐渐远离时,会发现火车汽笛的音调变低。为什么会发生这种现象呢?

1.多普勒效应

奥地利物理学家多普勒发现,波源和观察者互相①靠近或互相②远离时,接收到的波的频率都发生变化。这种现象叫作多普勒效应。

2.产生原因

当波源与观察者相对静止时,接收的频率③等于(填“大于”“小于”或“等于”)波源振动的频率;当波源与观察者互相靠近时,接收的频率④大于(填“大于”“小于”或“等于”)波源振动的频率;当波源与观察者互相远离时,接收的频率⑤小于(填“大于”“小于”或“等于”)波源振动的频率。

3.应用

交通警车通过分析行进中车辆的反射波频率的⑥变化来确定车辆的速度;通过运动天体与地球某元素发射的光波的⑦频率对照可以确定天体的速度;医生向人体发射频率已知的超声波,通过测定血流反射波的⑧频率变化,就能知道血流速度,检查病变。

1.教材中用蜂鸣器做演示实验时,几米之外的人听到的声音有什么特征?

解答:蜂鸣器音调忽高忽低。

2.波源与观察者距离变化时接收到的波的频率发生变化的现象,是谁发现的?

解答:奥地利物理学家、数学家和天文学家多普勒。

3.发生多普勒现象时,波源的频率是否变化?

解答:波源的频率是不变的。

主题1:多普勒效应

问题:(1)我们在剧场听演唱会时,听到的声音频率与声源的频率是不是一致的?

(2)我们乘坐火车出行,当我们乘坐的火车鸣笛时,火车静止不动和快速行驶两种状态下,我们听到的笛声频率是不是一样的?当与另一列高速行驶且正鸣笛的火车擦肩而过时,我们听到的笛声频率又是如何的?

(3)当波源不动,观察者运动时,观察者接收到的频率会怎样变化?

(4)当观察者不动,波源运动时,观察者接收到的频率会怎样变化?

解答:(1)听到的声音频率与声源的频率是一致的。

(2)听到自己所乘火车笛声的频率始终不变;听到擦肩而过的火车笛声频率是先变高后变低的。

(3)波源不动,观察者靠近波源时,接收到的频率增大;同理,观察者远离波源时,接收到的频率减小。

(4)观察者不动,波源靠近观察者时,接收到的频率增大;同理,波源远离观察者时,接收到的频率减小。

知识链接:多普勒效应发生时,波源的频率没有变化,只是观察者接收到的频率与原先相对静止时不同。

　　主题2:多普勒效应的应用

问题:(1)课本“多普勒效应的模拟实验”示意图中,如果观察者(高个子的人)与队伍同向运动,且他的速度与队伍的速度相同,那么这种情况下他的“过人频率”是多少?这种情况引申到多普勒效应中是怎样一种现象?

(2)认真阅读课本,总结一下多普勒效应在实际生活、科技中的应用。

解答:(1)观察者的速度与队伍的速度相同,那么这种情况下不过人,“过人频率”就是零。把这种情况引申到多普勒效应中其实就是观察者以声音的传播速度沿着声音的传播方向运动,他恰好听不到声音的现象。

(2)多普勒效应是波动过程共有的特征,不仅机械波,电磁波和光波也会发生多普勒效应。具体应用有以下几个方面。

①车辆测速:交警向行进中的车辆发射频率已知的电磁波(通常是红外线),同时测量反射波的频率,根据反射波频率变化的多少就能知道车辆的速度。

②光谱线的“红移现象”:恒星光谱朝波长较长的红光方向偏移,波长变长,意味着恒星正在离我们远去,红移越大,表明恒星远离地球的速度越快,恒星光谱的红移现象为宇宙大爆炸理论提供了有力的证据。

③医用“彩超”:医生向人体内发射频率已知的超声波,超声波被血管中的血流反射后又被仪器接收,并测出反射波的频率变化,根据反射波频率变化就能知道血流的速度,这可以用来检查心脏、大脑、眼底血管是否病变。

④铁路工人利用听见的火车笛声判断火车运动情况。

⑤战士根据炮弹飞行的尖叫声判断炮弹的运行情况等。

知识链接:波源频率大于观察者接收到的频率时,两者距离在增大;波源频率小于观察者接收到的频率时,两者距离在减小。

1.(考查对多普勒效应的判断)下列应用中没有应用多普勒效应的是(　　)。

A.利用地球上接收到遥远天体发出的光波的频率来判断遥远天体相对于地球的运动速度

B.交通警察向进行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,根据接收到的频率发生的变化,就知道汽车的速度,以便于进行交通管理

C.铁路工人将耳朵贴在铁轨上可判断火车运动情况

D.有经验的战士从炮弹飞行的尖叫声判断飞行炮弹是接近还是远去

【解析】铁路工人将耳朵贴在铁轨上来判断火车的运动情况,是利用声音在铁轨中传播速度大于在空气中的传播速度这一规律,故C没有应用。

【答案】C

【点评】应用多普勒效应是指利用接收到的波的频率相对波源的实际频率的变化来分析问题。

2.(考查多普勒效应的概念)以下关于多普勒效应的说法中正确的是(　　)。

A.产生多普勒效应时,波源的振动频率发生变化

B.产生多普勒效应时,波源的振动频率并没有发生变化

C.多普勒效应实际上是指波速相对介质发生变化

D.人与波源有相对运动时,接收到的频率一定发生变化

【解析】当观察者与波源有相对运动(接近或远离)时,观察者测得的频率有变化,但波源的频率不变。尽管观察者与波源有相对运动,但只要两者距离不变,此时就不会出现多普勒效应,B选项正确。

【答案】B

【点评】若观察者与波源在一直线上发生相对运动,则必发生多普勒效应;若观察者与波源的相对运动不共线(如圆周运动),则就不一定发生多普勒效应。

3.(考查声波的多普勒效应)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,且u<v,ν表示接收器接收到的频率,若u增大,则(　　)。

A.ν增大　v增大 B.ν增大　v不变

C.ν不变　v增大 D.ν减小　v不变

【解析】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选项正确。

【答案】B

【点评】声波发生多普勒效应时,声波的速度不会变化。

4.(考查对多普勒效应的理解)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的说法正确的是(　　) 。

A.女同学从A向B运动过程中,她感觉哨声音调变高

B.女同学从E向D运动过程中,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】女同学荡秋千的过程中,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,她就会感到哨声音调变高;反之,女同学向左运动时,她感到音调变低。选项A、D正确,B、C错误。

【答案】AD

【点评】观察者与波源接近时接收到的频率变高,远离时接收到的频率变低。

拓展一:多普勒效应的应用

1.公路巡警车在高速公路上以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频率已知的电磁波,如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,说明那辆轿车的车速(　　)。

A.高于100 km/h　　　　B.低于100 km/h

C.等于100 km/h D.无法确定

【分析】本题中,警车的速度一定,根据警车接收到的电磁波的频率的变化,可以判断前面车的速度相对警车速度的大小。

【解析】由多普勒效应知,巡警车接收到的频率变低了,即观察者接收到的频率变低了,说明轿车和巡警车在相互远离,而巡警车速度恒定,因此可以判定轿车的速度比巡警车速度大,故A选项正确。

【答案】A

【点拨】当波源与观察者远离时,观察者接收到的频率变低;当波源与观察者靠近时,观察者接收到的频率变高。

　　拓展二:多普勒效应的本质

2.图示为由波源S发出的波某一时刻在介质平面中的情形,实线为波峰,虚线为波谷,设波源频率为20 Hz,且不运动,而观察者在1 s内从A运动到B,观察者接收到多少个完全波?设波速为340 m/s,而要让观察者完全接收不到波,他每秒要运动多少米?

【分析】观察者在单位时间内接收到的完全波的个数,就等于观察者接收到的频率。

【解析】1 s内,观察者从A运动到B的过程中,所能接收到的完全波的个数正好比不运动时少1个,即他只接收到19个完全波,要想让观察者完全接收不到波,他必须随同所在的波峰一起运动并远离波源。由s=vt得s=340×1 m=340 m,即观察者每秒要远离波源340 m。

【答案】19个　340 m

【点拨】多普勒效应产生的本质就是由于观察者和波源的相对运动导致观察者单位时间内接收到的波个数与波源发出的波数不同。观察者远离声波波源的速度等于声速时,将接收不到声波。

一、物理百科

声音道出身体健康状况

心理学家认为声音可以传达语言背后隐含的意思。如果我们能够与通过电话询求心理帮助的人进行交流,那么我们就有办法知道他们是否真有自杀的意图。

一个在慈善机构或急救中心接听电话多年的人可以从来电者的声音中听出一系列细微的差别并判断出他是否有自杀意图。尤其能把那些有潜在自杀意图者与只是患有抑郁症的人区分开来。

美国范德比尔特大学的理查德·夏威(Richard shlavl)研究员从这一认识出发,研制出一种能分析来电者语音、语调和声音节奏的系统。这一系统可以从他们话语中分析出潜在的含义。在利用这一系统分析了数千个打到美国急救中心的电话后,夏威认为通过对来电者声音的声谱分析,可以判断出他是否真有自杀的可能。这一系统已成功地辨别出80%的有潜在自杀动机的人,从而把他们与那些正在经受抑郁症折磨而并无自我了断意图的人区分开来。

二、备用试题

1.关于多普勒效应的说法正确的是(　　)。

A.若波源向观察者靠近,则波源发出的频率变小

B.若波源向观察者靠近,则观察者接收到的频率变大

C.若观察者远离波源,则波源发出的频率变小

D.若波源向观察者靠近,则波源发出的频率变大

【解析】若波源向观察者靠近,则波源发出的频率不变,观察者接收到的频率会变大,A、D错误,B正确。若观察者远离波源,波源发出的频率也不变,C错误。

【答案】B

2.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】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。

【答案】AC

3.波源振动的频率为f0,波源在介质中运动时,波源的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=f2<f0 D.f2<f0<f1

【解析】 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,在波源的正前方介质振动的频率高于波源振动的频率。

【答案】D

4.图示为产生机械波的波源O做匀速运动的情况,图中的圆表示波峰。

(1)该图表示的是　　　　。 

A.干涉现象

B.衍射现象

C.反射现象

D.多普勒效应

(2)波源正在移向　　　　。 

A.A点　　 B.B点　　 C.C点　　 D.D点

(3)观察到波的频率最低的点是　　　　。 

A.A点　　 B.B点　　 C.C点　　 D.D点

【解析】(1)该图表示的是多普勒效应。

(2)从波长变化情况来看,波源正在移向A点。

(3)由于波源远离B点,所以,观察到波的频率最低的点是B点。

【答案】(1)D　(2)A　(3)B