粤教版 (2019)选择性必修 第一册第四节 多普勒效应学案设计

这是一份粤教版 (2019)选择性必修 第一册第四节 多普勒效应学案设计，共17页。


认识多普勒效应
1．多普勒效应．
波源或观察者或两者都相对于传播介质运动，那么观察者接收到的频率与波源发出的频率就不相同了，这样的现象叫作多普勒效应．
2．多普勒效应产生的原因．
(1)当波源与观察者相对静止时，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，观察到的频率增加(选填“增加”或“减小”)；反之，当波源与观察者互相远离时，观察到的频率减小(选填“增加”或“减小”).
多普勒效应的应用
1．判断车辆的运行方向和测量车辆的速度．
(1)修理铁路的工人可以根据汽笛声判断火车的运行方向和快慢．
(2)交警向行进中的汽车发射已知频率的电磁波，可根据汽车反射回来的电磁波的频率测出汽车速度．
2．天体上．
(1)由地球上接收到遥远天体发出的光波的频率， 可以判断天体相对地球的速度．
(2)可以跟踪人造地球卫星．
3．医学上——彩超．
当声源与接收体之间有相对运动时，回声的频率有所改变，这种频率的变化被称为频移．经进行多普勒信号处理，把频移与血流信号对应起来，通过处理频移信号可建立彩色多普勒超声血流图像，简称为彩超，在临床上被誉为“非创伤性血管造影”．
核心素养
小试身手
1．(多选)关于多普勒效应的叙述，下列说法正确的是( CD )
A．多普勒效应说明波源的频率发生了变化
B．多普勒效应是由于波的干涉引起的
C．多普勒效应是波共有的特征
D．科学家通过哈勃太空望远镜发现来自遥远的星系上的某种原子光谱，与地球上同种原子的光谱相比较，波长均变长，说明该星系正在远离地球而去
解析：产生多普勒效应的原因是波源和观察者之间有相对运动，波源发出的波的个数与观察者接收到的波的个数不相同，波源本身的频率并没有变化，一切波都能产生多普勒效应，A、B错误，C正确；当某一个星系远离地球时，在地球上接收到的该星系发出的光波，会发生多普勒效应，接收到的频率变低，即波长变长，D正确．
2．(多选)下列选项与多普勒效应有关的是( BD )
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．技术人员用超声波探测金属、陶瓷、混凝土中是否有气泡
D．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
解析：当观察者与测量对象无相对运动时，不发生多普勒效应，A、C错误；当观察者与测量对象相对运动时，发生多普勒效应，通过接收频率的变化可以进行测速，B、D正确．
对多普勒效应的理解
知识归纳
【典例1】 蝙蝠在洞穴中飞来飞去时，它利用的超声脉冲导航非常有效．这种超声脉冲是持续1 ms或不到1 ms的短促发射脉冲波，且每秒重复发射几次．假定蝙蝠的超声脉冲发射频率为39 000 Hz，某一次蝙蝠朝着表面平直的墙壁飞扑的过程中，下列判断正确的是( C )
A．墙壁接收到的超声脉冲频率等于39 000 Hz
B．蝙蝠接收到的从墙壁反射回来的超声脉冲频率等于墙壁接收到的频率
C．蝙蝠接收到的从墙壁反射回来的超声脉冲频率大于墙壁接收到的频率
D．蝙蝠接收到的从墙壁反射回来的超声脉冲频率等于39 000 Hz
[核心点拨] “在一次正朝着表面平直的墙壁飞扑期间”说明蝙蝠与墙壁间的距离在减小，接收到的频率便会增大．
解析：蝙蝠在做靠近墙壁的运动，所以相当于波源在靠近接收器，故墙壁接收到的超声脉冲频率大于39 000 Hz，A错误；蝙蝠相对于墙壁的运动与墙壁反射回来的超声波是相向运动的关系，所以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的频率，B错误，C正确；蝙蝠接收到的从墙壁反射回来的超声脉冲频率大于39 000 Hz，D错误．
观察者接收到的频率的判断
(1)声音的音调取决于频率，频率高则音调高，频率低则音调低．
(2)当波源与观察者相互靠近时，观察者接收到的频率大于波源频率，音调变高；反之，观察者接收到的频率小于波源频率，音调变低．
类题训练
1．(2024·江苏南通统考期中)小明同学将一个以电池为电源的蜂鸣器固定在长竹竿的一端，闭合开关后听到它发出声音．现用竹竿把蜂鸣器举起并在头顶快速做圆周转动，蜂鸣器从A转动到B的过程中的某位置，小明及甲、乙三位同学听到蜂鸣器发出声音的频率分别为f1、f2、f3，则( A )
A．f3＞f1＞f2 B．f1＝f2＝f3
C．f2＞f1＝f3 D．f1＞f2＝f3
解析：多普勒效应是指波源或观察者发生移动而使两者间的位置发生变化，使观察者接收到的频率发生了变化．当蜂鸣器靠近观察者时，听到的蜂鸣器的音调变高，当蜂鸣器远离观察者时，听到的蜂鸣器的音调变低．所以f3＞f1＞f2.故A正确．
2．(多选)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，如下图所示，则观察者接收到( AB )
A．声源在A点时发出声音的频率大于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
解析：根据多普勒效应可知，当声源和观察者相互靠近时，观察者接收到的频率大于声源的频率；当声源和观察者相互远离时，观察者接收到的频率小于声源的频率．将声源运动至A、B、C、D四个点时相对于观察者的速度方向标出来，可得：声源运动到A点时有靠近观察者的趋势，运动到C点时有远离观察者的趋势，声源在B、D两点的速度方向垂直于O点与观察者的连线，故A、B正确．
3．(2024·江苏徐州高二期中)如下图所示，静止的雷达测速仪a向迎面驶来的汽车b发射超声波，该超声波被汽车反射后又被a接收到，测速仪a接收的超声波与其直接发出的超声波相比( B )
A．频率变低 B．频率变高
C．波速变小 D．波速变大
解析：波速由介质决定，所以被该汽车反射回来的超声波与测速监视器发出的超声波相比波速不变；根据声音的多普勒效应可知，声源和观察者靠近时接收频率变高，所以被该汽车反射回来的超声波与测速仪发出的超声波相比频率变高．
多普勒效应产生的原因及应用
知识归纳
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．
【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，结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．
(1)此现象属于________．
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，反射回的电磁波频率应怎样变化？
答案：(1)C (2)超速 (3)变高
解析：(1)巡警车接收到的电磁波频率比发出时低，此现象为多普勒效应．故C正确．
(2)因警车接收到的频率变低，由多普勒效应知警车与轿车在相互远离，而警车在轿车后面且车速恒定，可判断出轿车车速比警车车速大，大于100 km/h，故该车超速．
(3)若该车以20 m/s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频率应变高．
(1)多普勒效应是指所接收到的波的频率与波源频率不同的现象，并不是接收到波的强度发生变化的现象，要正确区分频率和强度这两个物理量．
(2)观察者垂直于波的传播方向移动时，不产生多普勒效应．
(3)波的传播速度不因波源的移动而改变．
类题训练
4．(2024·江苏徐州高二期中)固定在振动片上的金属丝S周期性触动水面可以形成水波，当振动片在水面上沿MN直线上移动时拍得一幅如图所示的照片，显示出此时波的图样．下列说法正确的是( C )
A．振动片正在向上图中M一侧移动
B．上图中振动片左侧的水波传播速度更快
C．上图中振动片右侧接收到的水波频率更高
D．相同时间内接收到完全波的个数，M一侧比N一侧多
解析：由题图可知，波源右侧的波纹较密集，则说明振动片正在向题图中N一侧移动，故A错误；波的传播速度取决于介质，所以题图中振动片两侧的水波传播速度一样快，故B错误；波源向右移动，则波传播到右边的时间小于左边，所以在相同时间内接收到完全波的个数，M一侧比N一侧少，则振动片右侧接收到的水波频率更高，故C正确，D错误．
5．(多选)当人听到声音的频率越来越低时，可能的原因是( AC )
A．声源和人都是静止的，声源振动的频率越来越低
B．人静止，声源远离人做匀速直线运动，声源振动的频率不变
C．人静止，声源远离人做匀加速直线运动，声源振动的频率不变
D．人静止，声源远离人做匀减速直线运动，声源振动的频率不变
解析：人听到的声音的频率越来越低，声源远离观察者，且远离的速度越来越大，也就是加速远离．所以A、C正确．
6．平直公路上，汽车正在匀速远离，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( D )
解析：汽车正在匀速远离，速度恒定，接收到的反射波的频率也是恒定的．由于是远离，汽车反射波的频率应该小于发出波的频率，所以D正确．
,,
课时评价作业
A级 基础巩固
1．关于多普勒效应，以下说法正确的有( D )
A．只有机械波才能发生多普勒效应
B．当波源和观察者都运动时就发生多普勒效应
C．发生多普勒效应的原因是波源的频率发生了变化
D．发生多普勒效应的结果是观察者接收到的频率发生了变化
解析：多普勒效应是波共有的特征，无论是机械波、电磁波还是光波都会发生多普勒效应；发生多普勒效应的原因是波源和观察者有相对运动，导致观察者接收到的波的频率发生了变化，而波源的频率不变．综上所述，D正确，A、B、C错误．
2．如下图所示，向左匀速运动的小车发出频率为f的声波，车左侧A处静止的人感受到的声波的频率为f1，车右侧B处静止的人感受到的声波的频率为f2，则( D )
A．f1＜f，f2＜f B．f1＜f，f2＞f
C．f1＞f，f2＞f D．f1＞f，f2＜f
解析：由题意可知，声源靠近A处的人，由多普勒效应可知，A处的人接收到声波的频率变大，即f1>f；声源远离B处的人，同理可知B处的人接收到声波的频率变小，即f23．(2024·江苏徐州高二期中)海豚通过发出声波并接收其反射来寻找猎物．声波在水中传播速度为1 500 m/s，若海豚发出频率为1.5×105 Hz的声波，下列说法正确的是( A )
A．海豚利用声音捕捉猎物的原理和医学上“彩超”原理相同
B．声波由水中传播到空气中，频率会改变
C．海豚接收到的回声频率与猎物相对于海豚运动的速度无关
D．该声波遇到尺寸约为1 m的障碍物时会发生明显衍射
解析：海豚利用声音捕捉猎物的原理和医学上“彩超”原理相同，都是利用多普勒效应，A正确；声波由水中传播到空气中，频率不变，B错误；根据多普勒效应，海豚接收到的回声频率与猎物相对于海豚运动的速度有关，C错误；该声波的波长λ＝ eq \f(v,f) ＝ eq \f(1 500,1.5×105) m＝0.01 m, 遇到尺寸约为1 m的障碍物时不会发生明显衍射，D错误．
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( D )
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
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：若相互远离，则b接收到的声波的频率比a发出的低；若相互靠近，则b接收到的声波的频率比a发出的高．故A错误，D正确．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错误．
5．(多选)火车上有一个声源发出频率一定的音乐．当火车静止，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( CD )
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
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．所以A、B错误，C、D正确．
B级 能力提升
6．(多选)如下图所示，一位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，她就有靠近声源的趋势，根据多普勒效应可知，她都能感到哨声音调变高；反之女同学向左运动时，她感到音调变低．A、D正确，B、C错误．
7．(2024·江苏扬州校考开学考)如右图所示，O为地球赤道上的测控站，P为地球同步卫星，Q为低轨道卫星，P、Q向周围空间发射的无线电信号频率均为f1.在图示位置时，O接收到P、Q发射的无线电信号频率分别为f2和f3，下列说法正确的是( C )
A．f2＞f1 B．f2＜f1
C．f3＞f1 D．f3＜f1
解析：P为地球同步卫星，则角速度等于地球自转的角速度，则P、O的距离保持不变，则f2＝f1，根据G eq \f(Mm,r2) ＝mω2r，可得ω＝ eq \r(\f(GM,r3)) ，可知Q的角速度大于地球自转的角速度，结合题图可知，Q与O的距离减小，根据多普勒效应可知f3＞f1，故选C．
8．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，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．汽车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( C )
A．当 f′＝f 时，表明前车一定做匀速直线运动
B．当f′＝f 时，表明前车一定处于静止状态
C．当f′>f 时，表明前车相对于无人车正在减速行驶
D．当f′解析：当声源和观察者之间的距离不变时，观察者接收到的频率和声源发出的频率相等，故当f＝f′时，说明二者之间的距离不变，表明前车与无人车速度相同，但不一定做匀速直线运动，也不一定静止，故A、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，表明前车相对于无人车在减速行驶，故C正确；当f′＜f时，说明接收到的频率减小，说明两车距离增大，表明前车相对于无人车在加速行驶，故D错误．
9．如右图所示，机械波的波源O的频率为f，正沿左右方向做匀速直线运动，右图中的若干个圆环表示同一时刻的波峰分布．下列说法正确的是( B )
A．波源O正在向右运动
B．若静止的波接收器放置在上方，接收到的该波的频率小于f
C．若静止的波接收器放置在下方，接收到的该波的频率等于f
D．无论静止的波接收器放置何处，接收到的该波的频率都是f
解析：根据波速、波长和频率的关系式v＝λf可知，由于同一种介质中波速相同，左边位置附近波长最短，右边位置附近波长最长，故在左边接收到波的频率最高，在右边接收到波的频率最低，由题图中的若干个圆表示同一时刻的波峰分布可知，波源向左运动，A错误；若静止的波接收器放置在上方或下方，接收器在远离波源，依据多普勒效应可知，接收到该波的频率小于f，B正确，C错误；静止的波接收器任意放置，接收到该波的频率不可能都等于f，D错误．
10．轮船在进港途中的xt图像如下图所示，则在港口所测到的轮船上雾笛发出声音的频率是选项图中的( A )
解析：轮船匀速靠近港口的过程中，测量到的频率不随时间变化，但速度大时频率大，由xt图像可知，轮船靠近港口时三段时间内的速度v1＞v3＞v2，可知f1＞f3＞f2，A正确．
C级 拓展创新
11．如下图所示，在公路的十字路口东侧路边，甲以速度v1向东行走，在路口北侧，乙站在路边，一辆汽车以速度v2通过路口向东行驶并鸣笛，已知汽车笛声的频率为f0，车速v2＞v1.甲听到的笛声的频率为f1，乙听到的笛声的频率为f2，司机自己听到的笛声的频率为f3，则此时三人听到笛声的频率由高至低依次为____________．
答案：f1、f3、f2
解析：由于v2＞v1，所以汽车和甲的相对距离减小，甲听到的笛声的频率变大，即f1＞f0.由于乙静止不动，汽车和乙的相对距离增大，乙听到的笛声的频率变小，即f2＜f0.由于司机和声源相对静止，所以司机听到的笛声的频率不变，即f3＝f0.综上所述，三人听到笛声的频率由高至低依次为f1、f3、f2.
12．如下图所示，由波源S发出的波某一时刻在介质平面中的情形，实线为波峰，虚线为波谷，设波源频率为20 Hz，且不运动，而观察者在1 s内由A运动到B，观察者接收到多少个完全波？
答案：19个
解析：波与观察者做同向运动．波比观察者多移动的波长数就是观察者接收到的完全波的个数，设波长为λ，x人＝λ，x波＝λft＝20λ，波相对于人移动的距离Δx＝x波－x人＝19λ，故观察者接收到19个完全波．学 习 目 标
物 理 与 STSE
1.理解波源频率与观察者直接接收到的频率的区别．
2．理解多普勒效应产生的原因．
3．能应用多普勒效应解释相关现象．
eq \a\vs4\al(当车从人身边,疾驰而过的时,候，鸣笛的音调,会由高变低) eq \a\vs4\al(多普勒测速仪,的监视器，可把,测得的速度,打印在照片上)
物理观念
多普勒效应
科学思维
能运用多普勒效应解释一些物理现象
科学探究
进行演示实验“蜂鸣器音调的变化”，让学生实际感受一下音调随波源与观察者距离的变化而发生的变化
科学态度
与责任
在实验过程中很好地保持交流与合作，敢于发表自己对探究过程与实验结论的理解或想法，并且能正确表达自己的观点
相对位置
图示
结论
波源S和观察者A相对介质不动
f波源＝f观察者，音调不变
波源S不动，观察者A运动，由A→B或A→C
若靠近波源，由A→B，则f波源＜f观察者，音调变高；若远离波源，由A→C，则f波源＞f观察者，音调变低
观察者A不动，波源S运动，由S→S2
f波源＜f观察者，音调变高