高中5 多普勒效应教案及反思

第5讲  多普勒效应　次声波和超声波

　　多普勒效应

当波源和观察者有相对运动时，观察者接收到的频率和波源发出的频率有了差别，这种现象叫多普勒效应。两者相互接近时，接收到的频率升高；两者相互远离时，接收到的频率降低。在铁路附近人们会听到急驶而来的火车的鸣笛声音调高昂；火车驰去时，鸣笛声音调变得低沉，就是一例。这种现象是在1842年由奥地利物理学家多普勒加以解释的。
　　波源与观察者的相对运动有三种情况：一种是波源静止在媒质中，观察者相对于媒质运动；第二种是观察着静止于媒质中，波源相对于媒质运动；第三种情况是波源与观察者都相对于媒质运动
观测者接收到的频率 可用下式求出：

。

式中 是媒质中的波速，v是观察者相对于媒质的速度（当观察者也向波源运动时，v取正值；当观察者远离波源运动时，v取负值。），u是波源相对于媒质的速度（当波源向观察者运动时，u取正值；当波源远离观察者运动时，u取负值。

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例1．一列正在鸣笛的火车，高速通过某火车站站台的过程中，该火车站站台中部的工作人员听到笛声的频率（    ）

A、变大   B、变小   C、先变大后变小   D、先变小后变大

例2．交通警察静立于公路旁，手中的测速仪发出频率为f0=2500Hz的声波，一辆汽车以72km/h的速度迎面驶来，试求测速仪所接收到的反射波的频率。

同步训练

1．我们骑自行车在公路旁向东走，一辆警车一边发出警报声，一边飞速地从东迎面驶来又飞速向西离去，这一过程中，我们听到的警报声的变化将是（     ）

A．音调先高后低   B．音调先低后高   C．音调没有明显变化    D．频率先高后低

2．如图10－48表示产生机械波的波源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点是（     ）

A.A点        B.B点         C.C点            D.D点

3．关于多普勒效应，下列说法中正确的是（      ）

A．当波源与观察者相对运动时，才会发生多普勒效应  B．当波源与观察者相对静止时，才会发生多普勒效应

C．只有机械波能发生多普勒效应      D．不仅机械波，电磁波和光波也会发生多普勒效应

4．有一测速雷达，发射电磁波频率为f1，想用它来测量一迎面开来的汽车的车速，设该雷达接收到的从汽车反射回来的反射波频率为f2，则（     ）

A. f1>f2                 B. f1=f2              C. f1<f2                 D. 无法确定

5．公路巡警开车在高速公路上以100km/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．大于100km/h    B．小于100km/h    C．等于100km/h     D．无法确定

6．有一种用钢丝操纵做圆周飞行的飞机模型，装有活塞式发动机作为动力。操纵者站在圆心，在他听来飞机发动机工作时发出的声音是平衡不变的，场边观察者听到的声音忽高忽低做周期性变化，这是由于                      ，这种现象叫                     。

拓展尝新

7．经研究表明，光是一种电磁波，光波和一切波一样也具有波动性。在组成白光的七种单色光中，红光波长最长、频率最低，紫光波长最短、频率最高。

20世纪20年代，美国天文学家哈勃观察恒星光谱时，发现所有恒星原定的谱线都向红光一端发生明显的偏移，这就是著名的“哈勃红移”。也就是说，既然光谱原定的频率的谱线向红端移动，就是观测到光的频率减小了。

据你所学过的知识，请类比猜想这是光波的什么现象；并简单说明这一现象能否支持“宇宙是膨胀的”（即“宇宙大爆炸”）这一前沿理论？

8．一个观察者在铁路旁，当火车迎面开来时，他听到的汽笛声频率为f1=440Hz；当火车驶过他身旁后，他听到的汽笛声频率为f2=392Hz，若空气中声速为340m/s，求火车的速度。

v=19.6m/s

次声波和超声波

次声波和超声波

（1）人耳能听到的声波的频率范围是有限的，大致在20Hz到20000Hz之间。频率低于20Hz的声波称为次声波，频率高于20000Hz的声波称为超声波。

（2）特性和应用

    次声波：次声波传播距离远、速度大于海浪传播速度和台风移动的速度，所以接收次声波可预报破坏性很大的海啸、台风。

    超声波：超声波具有不可闻、穿透能力强、液压冲击大等特点，可广泛应用于现代生产技术、科学研究以及医疗卫生中。

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例1．          有人把闹钟放在玻璃罩中，用抽气机抽出罩中的空气，最后听不到闹钟铃声，装置如图所示，用自己的语言解释这一现象。

例2．利用超声波遇到物体发生反射，可测定物体运动的有关参量，如10－50图(a)中仪器A和B通过电缆线驳接，B为超声波发射与接收一体化装置，而仪器A为B提供超声波信号源而且能将B接收到的超声波信号进行处理并在荧幕上显示其波形。现固定装置B，并将它对准匀速行驶的小车C，使其每隔固定时间T0发射一短促的超声波脉冲（如图b中幅度大的波形），而B接收到的由小车C反射波滞后的时间已在图b中标出，其中T和ΔT为已知量，另外还知道该测定条件下声波在空气中的速度为v0，测根据所给信息可判断小车的运动方向为_______（填“向左或”向右），速度大小为________。

同步训练

1．每个人能听到的声音的波长范围略有差异，如果某人只能听到波长为0.02m~8.5m范围的声音，那么当声速为340m/s时，他能听到的声音的最低频率为                ，最高频率为            。

2．超声波在诊断、医疗和卫生工作中也有广泛的应用，我们去医院看病的时候，常会被医生要求去做“B超”检查，所谓“B超”，就是“超声波B型显示切面成像的方法”的简称，通过“B超”检测，可探查人体内部的各种器官、组织等有无异常。还可以确定肿瘤的有无、位置和大小等等，对此下列说法不正确的是（             ）

A．超声波在水中传播的距离要比光波和无线电波远得多    B．超声波的穿透能力很强

C．超声波的波长较长，容易发生明显波的衍射现象 D．临床医疗中，通过“B超”检测人体是利用波的反射特性

3．有关超声波和次声波的下列说法中，正确的是（         ）

A．次声波和超声波都不能引起人类听觉器官的感觉     B．次声波能发生衍射现象，而超声波则不能发生

C．超声波探伤仪利用的是超声波穿透能力很强的原理

D．所谓B超就是超声波B型显示切面成像方法，是利用超声波的反射，来探查人体内部的各种器官、组织等有无异常

4．海豚有完善的声纳系统，它能在黑暗的海水中准确而快速地捕捉到食物，避开敌害，其效果远优于现代的无线电定位系统，这是利用海豚自身发出的超声波来完成的。海豚的声纳系统远远优于无线电定位系统，如雷达，这是因为（         ）

A．海豚发出的波比无线电传播的速度快，方向性好   B．海豚发出的波比无线电波的频率高，抗干扰能力强

C．海豚发出的波比无线电波的能量大，传播距离远   D．海豚发出的波在水中能量衰减比无线电波少

5．下列超声波的应用是依据超声波的哪个重要性质？

（1）利用超声波碎胆结石。                    。

（2）探查金属内部的缺陷。                    。

（3）利用超声波将物体颗粒击碎，制造各种纳米材料。                       。

6．如图 (a)是在高速公路上用超声波测速仪测量车速的示意图，测速仪发出并接收超声波脉冲信号，根据发出和接收到的信号间的时间差，测出被测物体的速度。图(b)中，P1、P2是测速仪发出的超声波信号，n1、n2分别是P1、P2由汽车反射回来的信号。设测速仪匀速扫描，P1、P2之间的时间间隔Δt=1.0s，超声波在空气中传播的速度是v=340m/s，若汽车在接收到P1、P2两个信号之间的时间内前进的距离是______m，汽车的速度是_______m/s。

7．台北消息：1999年9月21日凌晨，台湾南投地区发生了7.6级大地震，它是由台湾中部大茅——双冬及车笼铺两块断层受到挤压，造成剧烈上升及平行移位而形成的.已知地震波分三种：纵波(P波)，速度vP=9.9km/s；横波(S波)，速度vS=4.5km/s；面波(L波)，速度vL<vS，在浅源地震中破坏力最大。　　　　　　　　　　　　　　　

(1)位于震源上方的南投地区某中学实验室内有水平摆A与竖直摆B(如图甲)，地震发生时最先剧烈振动的是哪个摆?

　 (2)台中市地震观测台记录到的地震曲线假若如图乙所示，则由图可知a、b、c三种波形各对应于哪种地震波?若在曲线图上测得P波与S波的时间差为7.6S，则地震台距震源(Z)多远?

(3)假若地震P波沿直线传播到台中市时，当地地表某标志物振动方向沿图丙中ZT方向，测得某时刻该标志物的水平分位移x=23.1mm，竖直分位移y=0.4mm，试由此估算震源深度h.

多普勒效应

答案：

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例1．解：当声源向着静止的观察者运动时，声波的波长变短，观察者接收到的频率变大；当声源远离静止的观察者时，声波的波长变长，观察者接收到的频率变小。火车通过站台时，先靠近站台工作人员，然后又远离，所以选项C对。

例2．解：没汽车的运动速度为v=72km/h=20m/s，

汽车接收到的波的频率为：

波被汽车反射后相当于波源向观察者运动，所以交通警察接收到的声波频率为：

同步训练：

1. AD
2. (1)D   (2)A    (3)B
3. AD
4. C
5. A
6. 声源和观察者有相对运动，多普勒效应
7. 略
8. 略

　次声波和超声波

答案：

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例1．解：要清楚的解释这一现象，应从两个方面入手，一是听不到闹钟的铃声，是因为没有声波传播；二是传播机械波的必备条件之一－弹性介质的存在。玻璃罩内被抽成真空，说明真空不能传播机械波。由绳索波的形成过程可知机械振动在介质中传播的机理――质点间存在相互作用的弹力，罩中没有空气，铃声就不能对周围空间施力，周围空间就不能将铃的振动向外传播，故听不到声音。

例2．解：设小车向右运动的速度大小为v，超声波后一脉冲比前一脉冲多传播的距离为S，两次相邻脉冲到达小车的时间间隔内小车前进的路程为S’，则，

且S=2S’。所以，解得：。

同步训练

1.   140Hz     17000Hz

2.C        3.ACD      4.D

5. (1)直线传播，能量集中   （2）穿透能力强    （3）高能量

拓展尝新

6. 17         17.9

7.（1）B；（2）a对应于纵波，b对应于横波，c对应于面波62.7km；（3）1.09km。