高中第三章 机械波5 多普勒效应导学案及答案

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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，______________的波的__________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________的，观测到的频率______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________(选填“增加”或“减少”)，观测到的频率______(选填“增大”或“减小”)；反之，当波源与观察者相互远离时，观测到的频率________(选填“增大”或“减小”)。
只要观察者与波源发生相对运动，就会产生多普勒效应，观测到的频率就大于波源振动的频率，这种说法对吗？为什么？
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1．相对位置变化与频率的关系
2.成因归纳
(1)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。
(2)发生多普勒效应时，波源的频率保持不变，只是观察者接收到的频率发生了变化。
(1)观察者与声源间没有相对运动也可能产生多普勒效应。( )
(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)多普勒效应是由于波的干涉引起的。( )
(4)当观察者远离波源运动时，观察者接收到的波的频率变小。( )
(5)甲、乙两列车相向行驶，两车均鸣笛，且所发出的笛声频率相同，那么乙车中的某旅客听到的甲车笛声频率低于他听到的乙车笛声频率。( )
例1 如图甲所示，某同学站立不动吹口哨，一位女同学坐在秋千上来回摆动，如图乙，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，她感觉哨声音调变低
B．女同学从E向D运动过程中，她感觉哨声音调变高
C．女同学在点C向右运动时，她感觉哨声音调不变
D．女同学在点C向左运动时，她感觉哨声音调变低
例2 (2022·江苏苏州市质检)如图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________(选填“A”“B”“C”或“D”)点。
(3)观察到波的频率最低的点是________(选填“A”“B”“C”或“D”)点。
例3 一频率为600 Hz的声源以20 rad/s的角速度沿一半径为0.8 m 的圆周(圆心为O点)做匀速圆周运动。一观察者站在离圆心很远的P点且相对于圆心静止，如图所示，则观察者接收到( )
A．声源在A点时发出声音的频率等于600 Hz
B．声源在B点时发出声音的频率等于600 Hz
C．声源在C点时发出声音的频率等于600 Hz
D．声源在D点时发出声音的频率小于600 Hz
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____________，根据反射波____________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__________变化，就可知道血流的__________。
3．利用光波的频率变化，计算星球靠近或远离我们的________。
拓展：红移现象
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，可测得星球靠近或远离地球的速度。若星球远离我们运动，接收到的光波的频率变小，谱线就向频率小的红端移动，这种现象称为红移现象。
例4 (2023·太原五中月考)关于多普勒效应的应用，下列说法中不正确的是( )
A．发现星系谱线的“红移”现象
B．利用多普勒效应可以从火车的鸣笛声中判断其运动方向
C．利用多普勒效应可以判断遥远的天体相对地球的运动速度
D．目前在技术上人们只能利用声波发生的多普勒效应
例5 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′5 多普勒效应
[学习目标] 1.知道什么是多普勒效应，理解多普勒效应的形成原因(重点)。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物理现象(重点)。
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“减少”)，观测到的频率增大(选填“增大”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“增大”或“减小”)。
只要观察者与波源发生相对运动，就会产生多普勒效应，观测到的频率就大于波源振动的频率，这种说法对吗？为什么？
答案 不对，如果观察者绕着波源做圆周运动，虽然两者间发生了相对运动，但观察者接收的频率与波源发出的频率依然相等，并未发生多普勒效应。
1．相对位置变化与频率的关系
2.成因归纳
(1)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。
(2)发生多普勒效应时，波源的频率保持不变，只是观察者接收到的频率发生了变化。
(1)观察者与声源间没有相对运动也可能产生多普勒效应。( × )
(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)多普勒效应是由于波的干涉引起的。( × )
(4)当观察者远离波源运动时，观察者接收到的波的频率变小。( √ )
(5)甲、乙两列车相向行驶，两车均鸣笛，且所发出的笛声频率相同，那么乙车中的某旅客听到的甲车笛声频率低于他听到的乙车笛声频率。( × )
例1 如图甲所示，某同学站立不动吹口哨，一位女同学坐在秋千上来回摆动，如图乙，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，她感觉哨声音调变低
B．女同学从E向D运动过程中，她感觉哨声音调变高
C．女同学在点C向右运动时，她感觉哨声音调不变
D．女同学在点C向左运动时，她感觉哨声音调变低
答案 D
解析 根据多普勒效应，靠近声源时，哨声音调变高，远离声源时，哨声音调变低，所以A、B、C错误，D正确。
例2 (2022·江苏苏州市质检)如图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________(选填“A”“B”“C”或“D”)点。
(3)观察到波的频率最低的点是________(选填“A”“B”“C”或“D”)点。
答案 (1)D (2)A (3)B
解析 (1)该图表示的是多普勒效应，正确选项为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。
例3 一频率为600 Hz的声源以20 rad/s的角速度沿一半径为0.8 m的圆周(圆心为O点)做匀速圆周运动。一观察者站在离圆心很远的P点且相对于圆心静止，如图所示，则观察者接收到( )
A．声源在A点时发出声音的频率等于600 Hz
B．声源在B点时发出声音的频率等于600 Hz
C．声源在C点时发出声音的频率等于600 Hz
D．声源在D点时发出声音的频率小于600 Hz
答案 B
解析 根据多普勒效应，当声源和观察者相向运动时，观察者接收到的频率大于声源的频率，当声源和观察者反向运动时，观察者接收到的频率小于声源的频率，将声源运动到A、B、C、D四个点时，画出来相对于观察者的速度方向，可以得到声源在A点有接近观察者的趋势，声源在C点有远离观察者的趋势，声源在B、D两点的速度方向垂直O点与观察者的连线，所以在B、D两点，观察者接收到的频率就等于声源的频率，而在A点观察者接收到的频率大于声源的频率，在C点观察者接收到的频率小于声源的频率，故选B。
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。
拓展：红移现象
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，可测得星球靠近或远离地球的速度。若星球远离我们运动，接收到的光波的频率变小，谱线就向频率小的红端移动，这种现象称为红移现象。
例4 (2023·太原五中月考)关于多普勒效应的应用，下列说法中不正确的是( )
A．发现星系谱线的“红移”现象
B．利用多普勒效应可以从火车的鸣笛声中判断其运动方向
C．利用多普勒效应可以判断遥远的天体相对地球的运动速度
D．目前在技术上人们只能利用声波发生的多普勒效应
答案 D
解析 星系谱线的“红移”现象的发现是多普勒效应在天体运动中的应用，选项A正确；利用多普勒效应可以从火车的鸣笛声中判断其运动方向，这是多普勒效应在机械运动中的应用，选项B正确；利用多普勒效应可以判断遥远的天体相对地球的运动速度，这是多普勒效应在天体运动中的应用，选项C正确；人们已可以利用电磁波的多普勒效应进行各种测量，D错误。
例5 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′答案 A
解析 当波源和观察者之间的距离不发生变化时，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′相对位置
图示
结论(频率、音调、波面)
波源S和观察者A相对静止
f观察者＝f波源，音调不变
波源S不动，观察者运动，由A→B或A→C
由A→B，f观察者>f波源，音调升高
由A→C，f观察者观察者A不动，波源S运动，由S→S′，接近观察者或远离观察者
波源向哪运动，哪个方向波面被压缩较密集
接近观察者，f观察者>f波源，音调升高
远离观察者，f观察者相对位置
图示
结论(频率、音调、波面)
波源S和观察者A相对静止
f观察者＝f波源，音调不变
波源S不动，观察者运动，由A→B或A→C
由A→B，f观察者>f波源，音调升高
由A→C，f观察者观察者A不动，波源S运动，由S→S′，接近观察者或远离观察者
波源向哪运动，哪个方向波面被压缩较密集
接近观察者，f观察者>f波源，音调升高
远离观察者，f观察者