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高中物理鲁科版 (2019)选择性必修 第一册第4节 多普勒效应及其应用教学设计
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这是一份高中物理鲁科版 (2019)选择性必修 第一册第4节 多普勒效应及其应用教学设计，共6页。教案主要包含了多普勒效应的应用等内容，欢迎下载使用。
1. 通过实验了解多普勒效应及其产生的原因，知道多普勒效应是波特有的现象。
2. 理解多普勒效应的实质。
3. 了解多普勒效应的简单应用。
教学重难点
教学重点
多普勒效应产生的原因。
多普勒效应的规律。
教学难点
对多普勒效应产生原因的理解。
教学准备
细绳、蜂鸣器、多媒体课件
教学过程
新课引入
播放PPT中视频。
教师设问：仔细听汽车、飞机由远而近的鸣笛声，你会发现什么现象？
学生回答。
总结：靠近时，鸣笛声越来越尖锐；远离时，鸣笛声越来低沉。
思考：这到底是怎么回事？
讲授新课
多普勒效应
上述问题中，汽车和飞机鸣笛声的频率并没有变化，只是由于汽车和飞机与观察者之间发生了相对运动，从而使观察者接收到的声波频率发生了变化。这种因波源与观察者之间有相对运动而使观察者接收到的波的频率发生变化的现象，称为多普勒效应。它是1842年，奥地利物理学家多普勒带着女儿在铁道旁散步时发现的现象。
实验与探究：
多普勒效应
用蜂鸣器等器材制作一个发声装置，可以演示多普勒效应。为了保证安全，可将发声装置装入网球中，用结实的绳子绑好并在室外进行实验。
甲同学站在某位置，手持系有发声装置的绳子一端，使发声装置在头顶上空快速转动。此时，乙同学站在离甲同学几米之外的位置上静止不动。甲、乙两同学听到蜂鸣器发出的声音音调有什么变化？
结果：蜂鸣器靠近观察者时，音调变高（频率变大）；蜂鸣器远离观察者时，音调变低（频率变小）。
如何解释多普勒效应呢？
波源每完成一次全振动，便向外发出一个波长的波；而波源的频率等于单位时间（如1s）内波源完成全振动的次数，所以波源振动的频率等于单位时间内波源向外发出完整的波的个数。对于观察者来说，他接收到的波的频率等于他在单位时间内接收到的完整的波的个数。
我们可以这样理解声波的多普勒效应：
波源和观察者没有相对运动时：单位时间内波源发出几个完全波，观察者在单位时间内就接收到几个完全波，故观察者接收到的频率等于波源的频率。
2、观察者朝波源运动时：观察者在单位时间内由A运动到B，设单位时间内波源发出20个完全波，观察者接收到21个完全波，所以观察者单位时间内接受到的完全波个数增多，即接收到的频率增大。
3、观察者远离波源运动时：观察者在单位时间内由B运动到A，设单位时间内波源发出20个完全波，观察者接收到19个完全波，所以观察者接受到的完全波个数减少，即接收到的频率减少。
迷你实验室：
图3-40 模拟实验示意图
模拟多普勒效应
为了进一步理解多普勒效应，可做这样一个模拟实验（图3-40）：让一队人沿街行走，当观察者站在街旁不动时，每秒钟有三个人从他身边经过。这种情况下，观察者接收到的“频率”是每秒三人。如果观察者逆着队伍前进方向行走，那么每秒内与观察者相遇的人数就会增加，也就是观察者接收到的“频率”增大。这种情景与观察者逆着波的传播方向走向波源的情况是相似的。如果观察者顺着队伍前进的方向行走，又是怎样的情景呢？
如果观察者静止不动，波源运动，观察者接收到的波的频率又如何变化呢？
波源朝观察者运动时：观察者感觉到波变得密集，波长变短，观察者单位时间内接受到的完全波个数增多，即接收到的频率增大。
波源远离观察者运动时：观察者感到波变得稀疏，波长变长，观察者接受到的完全波个数减少，即接收到的频率减少。
多普勒效应实质：当波源与观察者有相对运动时，如果二者相互接近，观察者接收到的频率增大；如果二者远离，观察者接收到的频率减小．
注意：多普勒效应是观察者接收到的波的频率发生了变化，而波源发出的波的频率并没有改变。
光波、无线电波、微波等都能发生多普勒效应，多普勒效应是波共有的特征。
二、多普勒效应的应用
图3-42 多普勒测速仪
多普勒效应在科学技术中有广泛的应用。
1无线电波的多普勒效应应用：交通警察可使用多普勒测速仪（图3-42）测定汽车的行驶速度，判断车辆是否超速。测速仪向行进中的车辆发射某个频率的无线电波，无线电波遇到车辆发生反射，车辆相当于反射波的波源。测速仪接收到反射波，通过分析反射波的频率就可显示出车辆的行驶速度。
2.超声波的多普勒效应应用：医学上用来诊断人体心脏、血管等疾病的彩色超声多普勒诊断仪（图3-43），其基本工作原理也利用了多普勒效应。医生先用其向人体组织发射高频图3-43 彩色超声波多普勒诊断仪
率的超声波，再根据接收的反射超声波频率变化来测定心脏跳动、血管血流快慢等情况，依此对病变作出诊断。
3.电磁波的多普勒效应应用：电磁波的多普勒效应为跟踪目的物（如导弹、云层等）提供了一种简便的方法。当目的物从远处飞向地面监测站上空，或从地面监测站上空飞向远处时，如果监测站不断发射恒定频率的电磁波，由于多普勒效应，地面检测站接收到的反射波频率会发生相应的变化。根据这种变化，就可确定目的物的距离、方位、速度等。这在军事、航天、气象预报等邻域有着广泛的应用。
典题剖析
例1(多选)下面说法中正确的是( )
A．发生多普勒效应时，波源的频率变化了
B．发生多普勒效应时，观察者接收到的频率发生了变化
C．多普勒效应是波源与观察者之间有相对运动时产生的
D．多普勒效应是由奥地利物理学家多普勒首先发现的
答案：BCD
解析：当波源与观察者之间有相对运动时会发生多普勒效应，选项C正确；发生多普勒效应时，观察者接收到的频率发生了变化，而波源的频率并没有改变，故选项A错误，选项B正确；此现象是奥地利物理学家多普勒首先发现的，选项D正确．
例2．(多选)下面哪些应用是利用了多普勒效应( )
A．利用地球上接收到遥远星体发出的光波的频率来判断遥远星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，根据接收到反射的电磁波的频率变化，就知道汽车的速度，以便于进行交通管理
C．铁路工人把耳朵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
答案：ABD
解析：凡是波都具有多普勒效应，利用光波的多普勒效应便可以测定遥远星体相对于地球运动的速度，A正确；B选项是利用多普勒效应的计算公式求出运动物体的速度，B正确；铁路工人把耳朵贴在铁轨上可判断火车的运行情况，是利用声音在固体中传播得快的特点，C错；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．
例3．频率一定的声源在空气中向着静止的接收器匀速运动．以u表示声源的速度，v表示声波的速度(uA．f增大，v增大 B．f增大，v不变
C．f不变，v增大D．f减小，v不变
答案：B
解析：本题考查对波速和多普勒效应的理解，机械波在介质中的速度由介质决定，与波的频率、波源的速度无关，因此不论u如何变化，v都不变，声源向着接收器运动，接收器单位时间接收到的完全波的个数增加，波源的速度越大，单位时间接收到的完全波的个数越多，因此u增大时，f增大，B正确．
例4．分析下列物理现象：
①“闻其声而不见其人”；②学生围绕振动的音叉转一圈会听到忽强忽弱的声音；③当正在鸣笛的火车向着我们急驶而来时，我们听到汽笛声的音调变高．这些物理现象分别属于波的( )
A．折射、干涉、多普勒效应 B．衍射、干涉、多普勒效应
C．折射、衍射、多普勒效应 D．衍射、多普勒效应、干涉
答案：B
解析：“闻其声而不见其人”是声波的衍射现象；学生围绕振动的音叉转一圈会听到忽强忽弱的声音是声波的干涉现象；当正在鸣笛的火车向着我们急驶而来时，我们听到汽笛声的音调变高是多普勒效应，所以选项B正确．
课堂小结
1. 通过实验了解多普勒效应及其产生的原因，知道多普勒效应是波特有的现象。
2. 理解多普勒效应的实质。
3. 了解多普勒效应的简单应用。
教学重难点
教学重点
多普勒效应产生的原因。
多普勒效应的规律。
教学难点
对多普勒效应产生原因的理解。
教学准备
细绳、蜂鸣器、多媒体课件
教学过程
新课引入
播放PPT中视频。
教师设问：仔细听汽车、飞机由远而近的鸣笛声，你会发现什么现象？
学生回答。
总结：靠近时，鸣笛声越来越尖锐；远离时，鸣笛声越来低沉。
思考：这到底是怎么回事？
讲授新课
多普勒效应
上述问题中，汽车和飞机鸣笛声的频率并没有变化，只是由于汽车和飞机与观察者之间发生了相对运动，从而使观察者接收到的声波频率发生了变化。这种因波源与观察者之间有相对运动而使观察者接收到的波的频率发生变化的现象，称为多普勒效应。它是1842年，奥地利物理学家多普勒带着女儿在铁道旁散步时发现的现象。
实验与探究：
多普勒效应
用蜂鸣器等器材制作一个发声装置，可以演示多普勒效应。为了保证安全，可将发声装置装入网球中，用结实的绳子绑好并在室外进行实验。
甲同学站在某位置，手持系有发声装置的绳子一端，使发声装置在头顶上空快速转动。此时，乙同学站在离甲同学几米之外的位置上静止不动。甲、乙两同学听到蜂鸣器发出的声音音调有什么变化？
结果：蜂鸣器靠近观察者时，音调变高（频率变大）；蜂鸣器远离观察者时，音调变低（频率变小）。
如何解释多普勒效应呢？
波源每完成一次全振动，便向外发出一个波长的波；而波源的频率等于单位时间（如1s）内波源完成全振动的次数，所以波源振动的频率等于单位时间内波源向外发出完整的波的个数。对于观察者来说，他接收到的波的频率等于他在单位时间内接收到的完整的波的个数。
我们可以这样理解声波的多普勒效应：
波源和观察者没有相对运动时：单位时间内波源发出几个完全波，观察者在单位时间内就接收到几个完全波，故观察者接收到的频率等于波源的频率。
2、观察者朝波源运动时：观察者在单位时间内由A运动到B，设单位时间内波源发出20个完全波，观察者接收到21个完全波，所以观察者单位时间内接受到的完全波个数增多，即接收到的频率增大。
3、观察者远离波源运动时：观察者在单位时间内由B运动到A，设单位时间内波源发出20个完全波，观察者接收到19个完全波，所以观察者接受到的完全波个数减少，即接收到的频率减少。
迷你实验室：
图3-40 模拟实验示意图
模拟多普勒效应
为了进一步理解多普勒效应，可做这样一个模拟实验（图3-40）：让一队人沿街行走，当观察者站在街旁不动时，每秒钟有三个人从他身边经过。这种情况下，观察者接收到的“频率”是每秒三人。如果观察者逆着队伍前进方向行走，那么每秒内与观察者相遇的人数就会增加，也就是观察者接收到的“频率”增大。这种情景与观察者逆着波的传播方向走向波源的情况是相似的。如果观察者顺着队伍前进的方向行走，又是怎样的情景呢？
如果观察者静止不动，波源运动，观察者接收到的波的频率又如何变化呢？
波源朝观察者运动时：观察者感觉到波变得密集，波长变短，观察者单位时间内接受到的完全波个数增多，即接收到的频率增大。
波源远离观察者运动时：观察者感到波变得稀疏，波长变长，观察者接受到的完全波个数减少，即接收到的频率减少。
多普勒效应实质：当波源与观察者有相对运动时，如果二者相互接近，观察者接收到的频率增大；如果二者远离，观察者接收到的频率减小．
注意：多普勒效应是观察者接收到的波的频率发生了变化，而波源发出的波的频率并没有改变。
光波、无线电波、微波等都能发生多普勒效应，多普勒效应是波共有的特征。
二、多普勒效应的应用
图3-42 多普勒测速仪
多普勒效应在科学技术中有广泛的应用。
1无线电波的多普勒效应应用：交通警察可使用多普勒测速仪（图3-42）测定汽车的行驶速度，判断车辆是否超速。测速仪向行进中的车辆发射某个频率的无线电波，无线电波遇到车辆发生反射，车辆相当于反射波的波源。测速仪接收到反射波，通过分析反射波的频率就可显示出车辆的行驶速度。
2.超声波的多普勒效应应用：医学上用来诊断人体心脏、血管等疾病的彩色超声多普勒诊断仪（图3-43），其基本工作原理也利用了多普勒效应。医生先用其向人体组织发射高频图3-43 彩色超声波多普勒诊断仪
率的超声波，再根据接收的反射超声波频率变化来测定心脏跳动、血管血流快慢等情况，依此对病变作出诊断。
3.电磁波的多普勒效应应用：电磁波的多普勒效应为跟踪目的物（如导弹、云层等）提供了一种简便的方法。当目的物从远处飞向地面监测站上空，或从地面监测站上空飞向远处时，如果监测站不断发射恒定频率的电磁波，由于多普勒效应，地面检测站接收到的反射波频率会发生相应的变化。根据这种变化，就可确定目的物的距离、方位、速度等。这在军事、航天、气象预报等邻域有着广泛的应用。
典题剖析
例1(多选)下面说法中正确的是( )
A．发生多普勒效应时，波源的频率变化了
B．发生多普勒效应时，观察者接收到的频率发生了变化
C．多普勒效应是波源与观察者之间有相对运动时产生的
D．多普勒效应是由奥地利物理学家多普勒首先发现的
答案：BCD
解析：当波源与观察者之间有相对运动时会发生多普勒效应，选项C正确；发生多普勒效应时，观察者接收到的频率发生了变化，而波源的频率并没有改变，故选项A错误，选项B正确；此现象是奥地利物理学家多普勒首先发现的，选项D正确．
例2．(多选)下面哪些应用是利用了多普勒效应( )
A．利用地球上接收到遥远星体发出的光波的频率来判断遥远星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，根据接收到反射的电磁波的频率变化，就知道汽车的速度，以便于进行交通管理
C．铁路工人把耳朵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
答案：ABD
解析：凡是波都具有多普勒效应，利用光波的多普勒效应便可以测定遥远星体相对于地球运动的速度，A正确；B选项是利用多普勒效应的计算公式求出运动物体的速度，B正确；铁路工人把耳朵贴在铁轨上可判断火车的运行情况，是利用声音在固体中传播得快的特点，C错；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．
例3．频率一定的声源在空气中向着静止的接收器匀速运动．以u表示声源的速度，v表示声波的速度(u
C．f不变，v增大D．f减小，v不变
答案：B
解析：本题考查对波速和多普勒效应的理解，机械波在介质中的速度由介质决定，与波的频率、波源的速度无关，因此不论u如何变化，v都不变，声源向着接收器运动，接收器单位时间接收到的完全波的个数增加，波源的速度越大，单位时间接收到的完全波的个数越多，因此u增大时，f增大，B正确．
例4．分析下列物理现象：
①“闻其声而不见其人”；②学生围绕振动的音叉转一圈会听到忽强忽弱的声音；③当正在鸣笛的火车向着我们急驶而来时，我们听到汽笛声的音调变高．这些物理现象分别属于波的( )
A．折射、干涉、多普勒效应 B．衍射、干涉、多普勒效应
C．折射、衍射、多普勒效应 D．衍射、多普勒效应、干涉
答案：B
解析：“闻其声而不见其人”是声波的衍射现象；学生围绕振动的音叉转一圈会听到忽强忽弱的声音是声波的干涉现象；当正在鸣笛的火车向着我们急驶而来时，我们听到汽笛声的音调变高是多普勒效应，所以选项B正确．
课堂小结
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