高中物理人教版 (2019)选择性必修 第一册第三章 机械波5 多普勒效应学案

5．多普勒效应

目标体系构建

明确目标·梳理脉络

【学习目标】

1．通过实验认识多普勒效应。

2．能解释多普勒效应产生的原因。

3．能用多普勒效应解释有关问题。

【思维脉络】

课前预习反馈

教材梳理·落实新知

知识点 1　多普勒效应

1．多普勒效应：波源与观察者互相靠近或者互相远离时，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，观察者观察到的频率__等于__波源振动的频率。

(2)当波源与观察者相向运动时，1 s内通过观察者的波峰(或密部)的数目__增加__，观察到的频率__增加__；反之，当波源与观察者互相远离时，观察到的频率__变小__。

知识点 2　多普勒效应的应用

1．测车辆速度：交通警车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．测星球速度：测量星球上某些元素发出的光波的__频率__。然后与地球上这些元素__静止__时发光的频率对照，可得星球的速度。

3．测血流速度：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，测出反射波的__频率变化__，就可得血流速度。

思考辨析

『判一判』

(1)产生多普勒效应时，波源的振动频率并没有发生变化。(　√　)

(2)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一致的。(　×　)

(3)人与波源有相对运动时，接收到的频率一定发生变化。(　×　)

(4)只有横波才能发生多普勒效应。(　×　)

(5)波源与观察者相互远离时，观察者感觉到的频率变小。(　√　)

『选一选』

(2020·江苏省南通市高二下学期线上测试)(多选)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(　AD　)

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。

『想一想』

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340 m/s，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多大？

答案：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峰前进的速度一样，即战斗机应以340 m/s的速度飞行远离爆炸点。

课内互动探究

细研深究·破疑解难

探究

对多普勒效应的理解

┃┃情境导入__■

美国霍普金斯大学利用多普勒效应对苏联第一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。

┃┃要点提炼__■

1．波源频率

波源的频率等于单位时间内波源发出的完全波的个数。

2．观察者接收到的频率

发生多普勒效应时，波源的频率并没有变化，是接收者接收的频率(单位时间内接收到的完整波的个数)发生变化(大于或小于波源频率)。

3．发生多普勒效应的几种情况

特别提醒

(1)无论什么情况，发生多普勒效应时，波源与观察者肯定有相对运动，二者相互靠近时，观察者接收到的频率变高，相互远离时，接收到的频率变低。

(2)多普勒效应的产生不是取决于观察者距波源多远，而是取决于观察者相对于波源的运动速度的大小和方向。　

┃┃典例剖析__■

典例1 (多选)下列关于多普勒效应的说法，正确的是(　CD　)

A．只有声波才能发生多普勒效应

B．当观察者靠近声源时，听到声音的音调升高，说明声源的频率升高了

C．当声源和观察者同时以相同的速度向同一方向运动时，不会发生多普勒效应

D．火车离站时，站台上的旅客听到火车的汽笛音调降低

思路引导：①多普勒效应是波具有的特征，电磁波和光波也会发生多普勒效应。

②观测者向波源靠近时，波源频率不变，但观测者接收到的频率增高，即音调增高；反之，观测者与波源远离时，观测者接收到的频率降低，即音调降低。

解析：多普勒效应是波动过程共有的特征，不仅是机械波，电磁波和光波也会发生多普勒效应，A项错误。

发生多普勒效应时，声源的频率并没有发生变化，而是观察者接收到的频率发生了变化，B项错误。

当波源和观察者以相同的速度同向运动时，两者之间无相对运动，不会发生多普勒效应，C项正确。

火车离站时，站台上的旅客和火车相互远离，听到火车的汽笛音调降低，D项正确。

┃┃对点训练__■

1．(2020·江苏省扬州中学高二下学期期中)如图表示产生机械波的波源O做匀速运动的情况下，某一时刻在介质平面中的情形，图中的圆表示波峰。

(1)该图表示的是(　D　)

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．A点　 B．B点　　

C．C点　 D．D点

(3)观察到波的频率最低的点是(　B　)

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，正确的选项为D。

(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。

探究

多普勒效应及超声波的应用

┃┃情境导入__■

医院有一种先进的检测技术——彩超，向病人体内发射频率已精确掌握的超声波。超声波经血液反射后被专用仪器接收，测出反射波的频率变化，就可以知道血液的流速。这一技术主要体现了哪一种物理现象？

提示：仪器接收到的波的频率发生变化，是因为血液的流动使波源与接收仪器间距离发生变化，从而发生了多普勒效应。

┃┃要点提炼__■

1．多普勒效应的应用

(1)多普勒效应测车速。

(2)医用彩色超声波测定心脏跳动，了解血管血流等情况。

(3)电磁波的多普勒效应为跟踪目标物(如导弹、云层等)提供了一种简单的方法。在军事、航天、气象预报等领域有了广泛的应用。

(4)用多普勒效应测量其他星系向着或远离地球运动的速率。

2．超声波及其应用

(1)定义：频率高于2×104 Hz的声波。

(2)特点：大功率的超声波几乎沿直线传播。

(3)应用：超声波洗涤，超声波碎石，超声波探测仪，医用彩超等。

┃┃典例剖析__■

典例2 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，警车接收到的电磁波频率比发出时低。

(1)此现象属于(　C　)

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？

思路引导：根据波源与观察者相对距离增大或减小时，观察者接收到的频率发生变化的现象即多普勒效应解答。

解析：(1)巡警车接收到的电波频率比发出时低，此现象为多普勒效应。

(2)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，可判断轿车车速比警车车速大，故该车超速。

(3)若该车以20 m/s的速度行进时，此时警车与轿车在相互靠近，由多普勒效应知反射回的频率应偏高。

答案：(2)超速　(3)偏高

┃┃对点训练__■

2．(多选)下面哪些应用是利用了多普勒效应(　ABD　)

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．交通警察向行进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．铁路工人用耳贴在铁轨上可判断火车的运动情况

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：凡是波都具有多普勒效应，因此利用光波的多普勒效应便可以测定遥远星体相对地球远离的速度，A正确；被反射的电磁波，相当于一个运动的物体发出的电磁波，其频率发生变化，由多普勒效应的计算公式可以求出运动物体的速度，B正确；铁路工人是根据振动的强弱而对列车的运动作出判断的，C错误；炮弹飞行，与空气摩擦产生声波，人耳接收到的频率与炮弹的相对运动方向有关，D正确。

核心素养提升

以题说法·启智培优

多普勒效应的判断方法

(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。

案例 某人站在地面上某处，一架飞机由远而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　)

A．越来越低　　　 B．越来越高　　　　

C．先变高后变低　　　 D．先变低后变高

易错分析：飞机从人头顶匀速飞过，匀速是指飞机相对地面，但相对观察者的速度是先减小后增大，这需要将速度分解。一些同学思维简单，只考虑到起初是飞机(声源)相对观察者靠近，飞机过了人的正头顶后，变成了声源相对观察者远离，因此认为接收的频率先变高后变低，错选了C项。

解析：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＝vcosα，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＝vcosα，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，故在飞机飞过头顶的过程中人听到的声音频率一直是越来越低，即A项正确。具体地说：当飞机到达头顶正上方之前，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< f源。