人教版 (2019)选择性必修 第一册第三章 机械波5 多普勒效应学案及答案

5　多普勒效应

[学习目标]　1.知道什么是多普勒效应，了解多普勒效应产生的原因.2.了解多普勒效应在生活中的应用，会用多普勒效应解释一些现象．

一、多普勒效应

1．多普勒效应

波源与观察者相互靠近或者相互远离时，接收到的波的频率都会发生变化的现象．

2．多普勒效应产生的原因

(1)当波源与观察者相对静止时，1 s内通过观察者的波峰(或密部)的数目是一定的，观测到的频率等于波源振动的频率．

(2)当波源与观察者相互接近时，1 s内通过观察者的波峰(或密部)的数目增加(选填“增加”或“减小”)，观测到的频率增加(选填“增加”或“减小”)；反之，当波源与观察者相互远离时，观测到的频率减小(选填“增加”或“减小”)．

二、多普勒效应的应用

1．利用多普勒测速仪测速

交通警察向行进中的车辆发射频率已知的超声波，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．利用超声波测血流速度

医生向人体内发射频率已知的超声波，测出被血管中的血流反射后的波的频率变化，就可知道血流的速度．

3．利用光波的频率变化，计算星球靠近或远离我们的速度．

1．判断下列说法的正误．

(1)发生多普勒效应时，波源的频率发生了变化．(　×　)

(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)当观察者远离波源运动时，观察者接收到的波的频率变大．(　×　)

(4)多普勒效应是由于波的干涉引起的．(　×　)

2．如图1表示产生机械波的波源S做匀速运动的情况，图中的实线表示波峰．该图表示_______现象，观察到波的频率最高和最低的位置分别是________、________.

图1

答案　多普勒效应　A　B

一、多普勒效应

导学探究

警车鸣笛从你身边飞速驶过，对于警车向你靠近和警车远离的过程，你会听到警笛的声音在变化．思考下列问题：(1)你听到警笛的音调有何不同？(2)实际上警笛的音调会变化吗？(3)听到音调发生变化的原因是什么？

答案　(1)警车驶来时，音调变高；警车远离时，音调变低

(2)实际上警笛的音调不会变化

(3)警车与观察者如果相互靠近，观察者接收到的频率增加；二者如果相互远离，观察者接收到的频率减小，因此会感觉警笛音调变化

知识深化

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，且两者间距发生变化．

关于多普勒效应，下列说法正确的是(　　)

A．发生多普勒效应时，波源频率发生了变化

B．要发生多普勒效应，波源和观察者必须有相对运动且两者间距发生变化

C．火车向你驶来时，你听到的汽笛声音调变低，火车离你远去时，你听到的汽笛声音调变高

D．只有声波才能发生多普勒效应

答案　B

解析　发生多普勒效应时，波源频率并没有发生变化，波源和观察者必须有相对运动，且两者间距发生变化才能发生多普勒效应，故A错误，B正确；根据多普勒效应可知，当波源和观察者间距变小，观察者接收到的频率一定比波源频率高，听到的声音音调变高，当波源和观察者间距变大，观察者接收到的频率一定比波源频率低，听到的声音音调变低，故C错误；所有波都能发生多普勒效应，故D错误．

针对训练1　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

答案　B

解析　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f增大，故B项正确．

二、多普勒效应的应用

(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．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

D．科学家通过比较星球与地球上同种元素发出光的频率来计算星球远离地球的速度

答案　BCD

解析　科学家用激光测量月球与地球间的距离是利用光的反射原理，故A错误；医生利用超声波探测病人血管中血液的流速是利用超声波的多普勒效应，故B正确；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是利用超声波的多普勒效应，故C正确；科学家通过比较星球与地球上同种元素发出光的频率来计算星球远离地球的速度，是利用光的多普勒效应，故D正确．

针对训练2　(2020·绵阳中学期末)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，如果该电磁波被轿车反射回来时，巡警车接收到的电磁波频率比发出时低．

(1)若该路段限速为100 km/h，则轿车是否超速？

(2)若轿车以20 m/s的速度行进，反射回的波的频率应怎样变化？

答案　(1)超速　(2)比发出时偏高

解析　(1)巡警车接收到的频率低，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，以100 km/h的速度在轿车后面行驶，可判断轿车车速比巡警车车速大，故该车超速．

(2)若该轿车以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电磁波的频率应偏高．

1．(多普勒效应的理解)(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，就一定能观测到多普勒效应

B．只要观测者在运动，就一定能观测到多普勒效应

C．只要波源与观测者之间有相对运动且两者间距发生变化，就一定能观测到多普勒效应

D．当发生多普勒效应时，观测者感觉到的频率可能在增大，也可能在减小

答案　CD

解析　若波源与观测者一起同方向、同速度运动，则观测者观测不到多普勒效应，选项A、B错误．

2．(多普勒效应的理解)(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．机械波和电磁波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

答案　BD

解析　多普勒效应是波动过程共有的特征，无论是机械波还是电磁波，都会产生多普勒效应；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，而波源的频率不变，故B、D正确，A、C错误．

3．(多普勒效应的应用)汽车无人驾驶技术已逐渐成熟，最常用的是ACC自适应巡航控制系统，它可以控制无人车在前车减速时自动减速、前车加速时自动跟上去．其使用的传感器主要是毫米波雷达，该雷达会发射和接收调制过的无线电波，再通过因波的时间差和多普勒效应造成的频率变化来测量目标的相对距离和相对速度．若该雷达发射的无线电波的频率为f，接收到的回波的频率为f′，则(　　)

A．当f＝f′时，表明前车与无人车速度相同

B．当f＝f′时，表明前车一定处于静止状态

C．当f′>f时，表明前车在加速行驶

D．当f′<f时，表明前车在减速行驶

答案　A

解析　当波源和观察者之间的距离不变化时，观察者接收到的频率和波源发出的频率相等，故当f＝f′时，说明两者之间的距离不变，表明前车与无人车的速度相同，但不一定静止，故A正确，B错误；当f′>f时，说明接收到的频率增大，说明两车距离减小，表明前车在减速行驶，故C错误；当f′<f时，说明接收到的频率减小，说明两车距离增大，表明前车在加速行驶，故D错误．

考点一　多普勒效应的理解

1．(多选)下列哪些现象是多普勒效应(　　)

A．远去的汽车声音越来越小

B．炮弹迎面飞来，声音刺耳

C．火车向你驶来时，音调变高；离你而去时，音调变低

D．大风中，远处人的说话声时强时弱

答案　BC

解析　A项和D项中所说的现象是能量传递的问题，不是多普勒效应，B项和C项所发生的现象是多普勒效应．

2．(多选)火车上有一个声源发出频率一定的音乐．当火车静止，火车外的观察者也静止时，观察者听到并记住了这个音乐的音调．以下情况中，观察者听到这个音乐的音调比原来降低的是(　　)

A．观察者静止，火车向他驶来

B．火车静止，观察者乘汽车向着火车运动

C．观察者静止，火车离他远去

D．火车静止，观察者乘汽车远离火车运动

答案　CD

解析　根据多普勒效应可知，当波源和观察者间距离变小，观察者接收到的频率一定比波源频率高；当波源和观察者间距离变大，观察者接收到的频率一定比波源频率低．观察者听到这个音乐的音调比原来降低，即接收到的声波频率降低，说明观察者和火车之间的距离在变大，A、B错误，C、D正确．

3.(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1所示的水波图形，下列说法正确的是(　　)

图1

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

答案　AC

解析　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，观察者接收到的频率比振针的振动频率小，故A、C正确．

4．a为声源，发出声波．b为接收者，接收a发出的声波．若a、b在沿着两者连线的方向运动(速度都不超过声速)．以下说法正确的是(　　)

A．若a、b相互靠近，则b接收到的声波的频率一定比a发出的低

B．若a、b向同一方向运动，则b接收到的声波的频率一定比a发出的低

C．若a、b向同一方向运动，则b接收到的声波的频率一定比a发出的高

D．若a静止，b向a运动，则b接收到的声波的频率一定比a发出的高

答案　D

解析　b接收到的声波的频率的高低关键是看声源a与接收者b之间的距离如何变化，若远离则b接收到的声波的频率比a发出的低，若靠近则b接收到的声波的频率比a发出的高，故A错，D对；当a、b向同一方向运动时，两者之间的距离可变大、可变小、可不变，故b接收到的声波的频率与a发出的声波的频率关系不确定，故B、C错．

考点二　多普勒效应的应用

5．(多选)下列关于多普勒效应的说法，正确的是(　　)

A．医院检查身体的“彩超”仪运用了多普勒效应

B．不仅机械波会发生多普勒效应，电磁波也会

C．由地球上接收到的遥远天体发出的光波发生“红移”现象(各条谱线的波长均变长)，可以判断遥远天体正靠近地球

D．静止的观察者听到某个单一频率声源发出的声音频率越来越高，说明声源正在远离观察者

答案　AB

解析　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，故选项A正确；多普勒效应是波特有的现象，故选项B正确；当波源与观察者相互靠近时，观测到的频率增大，反之，当波源与观察者相互远离时，观测到的频率减小，故选项D错误；“红移”现象中光波频率变小，因此遥远天体应正在远离地球，故选项C错误．

6．(2020·孝感期末)上课时老师将一蜂鸣器固定在教鞭一端，然后使蜂鸣器迅速水平旋转，蜂鸣器音调竟然忽高忽低变化，下列判断正确的是(　　)

A．旋转时蜂鸣器发出的频率变化了

B．由于旋转，改变了同学们听到的声音频率

C．蜂鸣器音调变高时，一定是向远离观察者的方向运动

D．音调的忽高忽低是由波的干涉造成的

答案　B

解析　旋转过程中，声源(蜂鸣器)与观察者(同学们)的距离有时近，有时远，发生多普勒效应，D错误；蜂鸣器发出声波的频率不变，只是同学们听到的声音频率变化了，A错误，B正确；当蜂鸣器远离观察者时，听到声音的频率变小即音调变低，C错误．

7．(多选)(2020·全国卷Ⅰ改编)在下列现象中，可以用多普勒效应解释的有(　　)

A．雷雨天看到闪电后，稍过一会儿才能听到雷声

B．超声波被血管中的血流反射后，探测器接收到的超声波频率发生变化

C．观察者听到远去的列车发出的汽笛声，音调会变低

D．天文学上观察到双星(相距较近、均绕它们连线上某点做圆周运动的两颗恒星)光谱随时间的周期性变化

答案　BCD

解析　看到闪电后，过一会儿才能听到雷声，是光和声音在空气中的传播速度不同造成的，故A错误；探测器接收到的超声波频率发生变化，是由于血液发生流动，探测器与血液的观测点的距离发生变化引起的，可以用多普勒效应解释，故B正确；观察者听到远去的列车发出的汽笛声，音调变低是由于列车与观察者的距离发生变化引起的，可以用多普勒效应解释，故C正确；观察者与双星的距离发生变化，接收到的频率发生变化，产生周期性变化的光谱，属于多普勒效应，故D正确．

8．(多选)如图2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，关于女同学的感受，下列说法正确的是(　　)

图2

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

答案　AD

解析　女同学荡秋千的过程中，只要她有向右的速度，她都有靠近声源的趋势，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，B、C错误．

9．平直公路上，汽车正在匀速远离多普勒测速仪，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(　　)

答案　D

解析　汽车正在匀速运动，速度恒定，接收到的反射波的频率也是恒定的，由于是远离测速仪，汽车反射波的频率应该小于发出波的频率，选项D正确．