高中物理5 多普勒效应学案

第5节 多普勒效应

自主学习·必备知识

教材研习

教材原句

要点 多普勒效应

波源与观察者 相互靠近或者相互远离①时，接收到的波的频率都会发生变化。人们把这种现象叫作多普勒效应。

自主思考

①（1）火车进站和出站时，坐在火车上的乘客能感受到汽笛声的音调发生变化吗？

（2）随着科技的发展和作战的需要，现在的战斗机飞得越来越快，有些战斗机的速度超过了声音在空气中的传播速度。假设某爆炸声在空气中的传播速度为 ，一架战斗机正在爆炸点附近远离它飞行，要使飞行员听不到爆炸声，战斗机飞行的速度至少为多大？

答案：（1）提示 不能。坐在火车上的乘客会感受到汽笛声的音调不发生变化，是因为声源相对乘客是静止的。

（2）要使飞行员恰好听不到爆炸声，即飞行员正好一个声波也接收不到，则他随战斗机运动的速度应与波前进的速度相同，即战斗机应以 的速度远离爆炸点飞行。

名师点睛

1.波源与观察者相对静止时，单位时间内通过观察者的波峰（或密部）的数目是一定的，观察者感觉到的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波峰（或密部）的数目增加，观察者感觉到的频率大于波源的频率，即感觉到频率增大。

3.波源与观察者相互远离时，观察者感觉到频率减小。

互动探究·关键能力

探究点 多普勒效应

情境探究

1.公路巡警开车在高速公路上以 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，该电磁波被轿车反射回来时，警车接收到的电磁波频率比发出时的低。

（1）若该路段限速为 ，则轿车是否超速？

（2）若轿车以 的速度行进，反射回的电磁波的频率应怎样变化？

答案：（1）提示 巡警车接收到的电磁波频率比发出时的低，此现象为多普勒效应。因警车接收到的频率低，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，可判断出轿车车速比警车车速大，故该车超速。

（2）若该车以 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的频率应增大。

探究归纳

1.波源频率、接收频率和音调

（1）波源频率：波源完成一次全振动，向外发出一个波长的波，称为一个完全波。频率表示单位时间内完成的全振动的次数。因此波源的频率又等于单位时间内波源发出的完全波的个数。

（2）接收频率

①波源和观察者相对静止时，观察者接收到的波的频率等于波源的频率。

②波源和观察者有相对运动时，观察者在单位时间内接收到的完全波的个数发生变化，即接收到的波的频率发生变化。

波源与观察者如果相互靠近，观察者接收到的波的频率增大；二者如果相互远离，观察者接收到的波的频率减小。

（3）音调：音调由频率决定，频率高则音调高，频率低则音调低。观察者听到的声音的音调，是由观察者接收到的声波的频率（单位时间内接收到的声波的完全波个数）决定的。

2.多普勒效应成因分析

（1）相对位置变化与频率的关系（规律）

（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。

3.多普勒效应的运用

（1）测车辆速度：交通警察向行进中的车辆发射一个已知频率的超声波，波被运动的车辆反射回来时，交通警察根据反射波频率变化的多少可知车辆的速度。

（2）测天体速度：根据光波的多普勒效应，在地球上接收到的遥远天体上某些元素发出的光波频率，与地球上这些元素静止时发光的频率对照，可以判断遥远天体相对地球的运动速度。

（3）医用“彩超”：医生向人体发射频率已知的超声波，超声波被血管中的血液反射后又被仪器接收。测出反射波的频率变化，就能知道血流的速度，据此诊断疾病。

（4）听音辨向：可根据火车汽笛声的音调的变化判断火车是进站还是出站；根据炮弹飞行的尖叫声判断炮弹飞行的方向等。

探究应用

例 如图所示，产生机械波的波源从 点开始做匀速运动，图中圆表示波峰，已知波源振动的频率为 ，则下列说法正确的是(      )

A.该图表示波源正在向 点移动

B.观察者在 点接收到的波的频率是定值且大于

C.观察者在 点接收到的波的频率是定值且大于

D.观察者在 点或 点接收到的波的频率是定值且大于

答案：

解析：根据多普勒效应产生的原因，该图表示波源正在向 点移动，故 错误；当波源向观察者运动时，观察者接收到的频率一定比波源振动的频率高；当波源远离观察者时，观察者接收到的波的频率一定比波源振动的频率低。故 、 错误， 正确。

规律总结

（1）发生多普勒效应时，接收到的波的频率发生变化，但波源的频率并没有变化。

（2）是否发生多普勒效应取决于观察者与波源是否存在相互靠近或相互远离。波速只取决于介质，与是否发生多普勒效应无关。

（3）多普勒效应是波共有的特征，机械波、电磁波或光波都会发生多普勒效应。

迁移应用

1.如图所示， 是一个声波的波源，发出的一系列声波为如图所示的一组圆面， 、 是两个观察者的位置，则下列叙述正确的是(      )

A.波源正向 点移动， 处听到的音调较高

B.波源正向 点移动， 处听到的音调较高

C.波源正向 点移动， 处听到的音调较高

D.波源正向 点移动， 处听到的音调较高

答案：

解析：由图可看出，波源正向 运动， 处接收到的波的频率变大，因而 处听到的音调变高；同理， 处听到的音调变低，故 处听到的音调比 处高。故 正确。

2.（多选）如图所示，在原点处做简谐运动的波源产生的机械波沿 轴正方向传播，波速 。为了接收信号，在 处设有一接收器 （图中未标出）。已知 时，波已经传播到 处，则下列说法中不正确的是(      )

A.波源振动的周期为

B. 处的质点在 时位移最大

C.接收器在 时才能接收到此波

D.若波源向 轴负方向移动，则接收器接收到的波的频率将小于

答案： ;

解析：波源振动的周期 ，频率 ， 正确； 处的质点在 时仍在平衡位置， 错误；接收器接收到此波的时间 ， 错误；若波源向 轴负方向移动，则波源远离接收器，根据多普勒效应，接收器接收到的波的频率将小于 ， 正确。

评价检测·素养提升

课堂检测

1.关于多普勒效应，下列说法正确的是(      )

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

D.只有声波才可以产生多普勒效应

答案：

解析：多普勒效应是由于波源与观察者之间有相对运动，观察者感到频率发生改变的现象。

2.当火车进站鸣笛时，我们在车站听到的声音的频率和音调(      )

A.变小，变高

B.不变，变高

C.变大，变高

D.不知声速和火车车速，不能判断

答案：

解析：火车进站鸣笛时，声源与观察者距离减小，观察者感受到的频率变大，音调变高。

3.蝙蝠在洞穴中飞来飞去时，利用超声脉冲导航。这种超声脉冲是持续 或不到 的短促发射，且每秒重复发射几次。假定蝙蝠的超声脉冲发射频率为 ，在一次正朝着表面平直的墙壁飞扑的期间，下列判断正确的是(      )

A.墙壁接收到的超声脉冲频率等于

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到的超声脉冲频率

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到的超声脉冲频率

D.蝙蝠接收到从墙壁反射回来的超声脉冲频率等于

答案：

解析：蝙蝠（波源）相对墙壁（观察者）的距离减小，所以墙壁接收到的超声脉冲频率增大， 错误；超声脉冲被反射后频率不变，但传播方向和蝙蝠的运动方向相反，蝙蝠接收到从墙壁反射回来的超声脉冲频率会更大， 正确， 、 错误。

4.（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原理

B.不仅机械波，电磁波也会发生多普勒效应

C.地球上接收到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： ;

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，是运用了多普勒效应原理，故 正确；多普勒效应是波特有的现象，故 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 错误；“红移”现象中各条谱线的波长均变长，即频率变小，因此遥远天体正在远离地球，故 错误。