(共44张PPT)
5 多普勒效应
学习
目标 1.知道波源频率与观察者接收到的频率的区别。
2.知道什么是多普勒效应,知道它是波源与观察者之间有相对运动时产生的现象。
3.了解多普勒效应的一些应用。
4.通过改变波源与观察者的距离,培养学生利用控制变量法分析问题的能力。
多普勒效应及应用
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_________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,1s内通过观察者的波峰(或密
部)的数目是_____的,观察者观察到的频率_____波源振动的频
率。
波的频率
一定
等于
(2)当波源与观察者相向运动时,1s内通过观察者的波峰(或密
部)的数目_____,观察到的频率_____;反之,当波源与观察者互
相远离时,观察到的频率_____。
3.应用:
(1)测车辆速度:交通警向行进中的车辆发射_________的超声
波,同时测量_______的频率,根据反射波频率___________就能
知道车辆的速度。
增加
增加
变小
频率已知
反射波
变化的多少
(2)测星球速度:测量星球上某些元素发出的光波的_____。然
后与地球上这些元素_____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_________的超声波,超声波被血
管中的血流_____后又被仪器接收,测出反射波的_________,就
可得血流速度。
频率
静止
频率已知
反射
频率变化
【自我思悟】
1.炮弹由远处飞来从头顶呼啸而过的整个过程中,我们所听到的音调会发生怎样的变化 为什么
提示:波源与观察者距离的变化会引起接收频率的变化,频率的变化会引起音调的变化,由于炮弹离我们先变近后变远,所以音调先变高后变低。
2.有经验的铁路工人可以从火车的汽笛声中判断出火车的运行方向,其原因是什么
提示:利用多普勒效应。火车运行方向不同时,铁路工人接收到声音的频率不同,感觉到的声音的音调不同,因此可以从汽笛声中判断出火车的运行方向。
【盲区扫描】
1.观察者接收到的频率等于观察者在单位时间内接收到的完全波的个数。
2.多普勒效应是波共有的一种现象,可以是机械波,也可以是电磁波。
3.多普勒效应是由于波源和观察者发生相对运动而产生的,不是由波的干涉引起的。
4.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。
5.测量车辆速度应用的是超声波,测量星球速度应用的是电磁波。
一、对波源频率、接收频率和音调的理解 深化理解
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。观察者接收到的频率等于波源的频率。
(2)波源和观察者有相对运动。观察者在单位时间内接收到的完全波的个数发生变化,即感觉到波的频率发生变化。
波源与观察者如果相互靠近,观察者接收到的频率增大;二者如果相互远离,观察者接收到的频率减小。
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频率,即单位时间内接收到的完全波的个数决定的。
【微思考】
(1)若波源与观察者相对静止,波源的频率增大时,是否发生多普勒效应
提示:不能发生多普勒效应,此时接收到的频率等于波源的频率。
(2)发生多普勒效应时,波速是否发生了变化
提示:能否发生多普勒效应与波速无关,波速的大小取决于介质。
【题组通关】
【示范题】(多选)假如一辆汽车在静止时喇叭发出声音的频率是300Hz,在汽车向观察者驶来又擦身而过的过程中,下列说法正确的是( )
A.当汽车向观察者驶来时,听到喇叭声音的频率大于300Hz
B.当汽车向观察者驶来时,听到喇叭声音的频率小于300Hz
C.当汽车和观察者擦身而过后,听到喇叭声音的频率大于300Hz
D.当汽车和观察者擦身而过后,听到喇叭声音的频率小于300Hz
【解题探究】(1)当观察者与波源的距离减小时,观察者接收到的频率将如何变化
提示:二者距离减小,观察者接收到的频率变大。
(2)当观察者与波源的距离增大时,观察者接收到的频率将如何变化
提示:二者距离增大,观察者接收到的频率变小。
【规范解答】选A、D。当汽车向观察者驶来时,两者距离减小,单位时间内观察者接收的声波个数增多,频率升高,将大于300Hz,故A选项正确;当汽车和观察者擦身而过后,两者距离变大,单位时间内观察者接收的声波个数减少,频率降低,将小于300Hz,故D选项正确。
【通关1+1】
1.(2014·大连高二检测)蝙蝠在洞穴中飞来飞去时,它利用超声脉冲导航非常有效,这种超声脉冲是持续1ms或不到1ms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39000Hz,在一次正朝着表面平直的墙壁飞扑的期间,则下列判断正确的是( )
A.墙壁接收到超声脉冲频率等于39000Hz
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的频率
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的频率
D.蝙蝠接收到从墙壁反射回来的超声脉冲频率等于39000Hz
【解析】选C。蝙蝠(波源)相对墙壁(观察者)的距离接近,所以墙壁接收到的超声波频率增大,A错误;超声波被反射后频率不变,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波时,频率会更大,故C正确,B、D错误。
2.(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( )
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】选A、D。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,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。
【变式训练】1.根据多普勒效应,下列说法中正确的有( )
A.多普勒效应只适用于声波
B.当波源和观察者同向运动时,观察者接收到的频率一定比波源发出的频率低
C.当波源和观察者相向运动时,观察者接收到的频率一定比波源发出的频率高
D.当波源和观察者背向运动时,观察者接收到的频率一定比波源发出的频率高
【解析】选C。多普勒效应适用于一切波,A错误;当波源和观察者相向运动时,观察者接收到的频率一定比波源发出的频率高,C正确;当波源和观察者背向运动时,观察者接收到的频率一定比波源发出的频率低,D错误;当波源和观察者同向运动时,只有观察者距离波源越来越远时,观察者接收到的频率才会比波源发出的频率低,故B错误。
2.(2014·泉州高二检测)如图所示,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,则此三人听到笛声的频率由高至低依次为 。
【解析】由于v2>v1,所以汽车和甲的相对距离减小,甲听到的频率变大,即f1>f0。由于乙静止不动,汽车和乙的相对距离增大,乙听到的频率变小,即f2答案:f1、f3、f2
二、多普勒效应产生的原因分析 对比分析
1.相对位置变化与频率的关系(规律):
相对位置 图 示 结 论
波源S和观察者A相对静止,如图所示 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,如图所示 若靠近波源,由A→B,则
f波源若远离波源,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,如图所示 f波源音调变高
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。
【微思考】
(1)多普勒效应能否产生与波源和观察者间的距离有关系吗 是不是距离越近,越容易发生多普勒效应
提示:能否发生多普勒效应仅取决于波源和观察者间的距离是否变化,与距离的大小没有关系。
(2)观察者绕波源做圆周运动时,能否发生多普勒效应
提示:不能。能否发生多普勒效应取决于波源和观察者之间的距离是否变化。
【题组通关】
【示范题】公路巡警开车在高速公路上以100km/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100km/h,则轿车是否超速
(3)若轿车以20m/s的速度行进,反射回的频率应怎样变化
【解题探究】(1)发生多普勒效应时,若接收频率变小,说明波源和观察者距离如何变化
提示:接收频率变小时,说明波源和观察者距离增大。
(2)波发生反射时,波源的频率是否发生变化
提示:波源的频率不会变化,但反射后接收到的反射波的频率有可能变化。
【规范解答】(1)选C。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。
(2)因巡警车接收到的频率变低,由多普勒效应知巡警车与轿车在相互远离,而巡警车车速恒定又在后面,可判断轿车车速比巡警车车速大,故轿车超速。
(3)若轿车以20m/s的速度行进,此时巡警车与轿车在相互靠近,由多普勒效应知反射回的频率应变高。
答案:(1)C (2)超速 (3)变高
【通关1+1】
1.(多选)下列说法中正确的是( )
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,观察者接收的频率发生了变化
C.多普勒效应是在波源和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
【解析】选B、C、D。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。发生多普勒效应时是接收到的频率发生了变化,而波源的频率没有变化。故A错,B对,而D项也是正确的。
2.(多选)如图所示,S为振源,P点有一观察
者,已知振源发生振动的频率为20Hz,则关
于人听到的声音的频率,下列说法正确的是( )
A.当振源S以17m/s的速度远离观察者运动时,频率为19Hz
B.当振源S以17m/s的速度靠近观察者运动时,频率为21Hz
C.当观察者以17m/s的速度靠近振源S运动时,频率为21Hz
D.以上说法均不正确
【解析】选A、B、C。当振源以17 m/s的速度远离观察者运动
时，观察者接收的频率f′＝
故A正确；当振源S以17 m/s的速度靠近观察者运动时，观察者
接收的频率f′＝ 故B正确。当观
察者以17 m/s的速度靠近振源S运动时，观察者接收的频率
故C正确。
【变式训练】(2014·温州高二检测)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( )
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( )
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。
答案:(1)D (2)A (3)B
【素养升华】
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。
【资源平台】生活中的多普勒效应
【示范题】如图所示,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20Hz,且不运动,而观察者在
1s内由A运动到B,观察者接收到多少个完全波 设波速为340m/s,则要让观察者完全接收不到波,他每秒要运动多少米
【标准解答】观察者在单位时间内接收到的完全波的个数就等于观察者接收到的频率。如果观察者不动,则1s内,观察者接收的完全波的个数应为20个,然而当观察者从A运动到B的过程中,由题图可知所能接收到的完全波的个数正好比不运动时少1个,即他只接收到19个完全波。要想让观察者完全接收不到波,他必须随同所在的波峰一起运动并远离波源。由s=vt得s=340×1m=340m,即观察者每秒要远离波源340m。
答案:19个 340m温馨提示：
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课时达标·效果检测
一、选择题
1.(多选)(2014·宁波高二检测)关于多普勒效应的叙述,下列说法中正确的是
( )
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 ( http: / / www.21cnjy.com )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】选C、D。多普勒效应是由于波源和观察者发生相对运动而产生的,不是由波的干涉引起的,发生多普勒效应时波源的频率不发生变化,故A、B错误。多普勒效应是波共有的特征,一切波都能发生多普勒效应,C正确。根据v=λf知,波长均变长,频率变小,距离变大,D正确。
2.(多选)下列选项与多普勒效应有关的是( )
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】选B、D。当观察者与测量对象无相对 ( http: / / www.21cnjy.com )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,根据接收频率的变化来测速,故B、D正确。
3.下列关于多普勒效应的说法中,正确的是( )
A.只要波源在运动,就一定能观察到多普勒效应
B.如果声源静止,就观察不到多普勒效应
C.当声源朝着观察者运动时,声源的频率变高
D.当声源相对于观察者运动时,观察者听到的声音的频率可能变高,也可能变低
【解析】选D。波源运动时,波源与观察者距离不一定变化,不一定发生多普勒效应,A错;声源静止时,若观察者向声源运动,能发生多普勒效应,B错;声源朝着观察者运动时,声源频率不变,观察者接收到的频率增大,C错;声源相对观察者运动时,二者距离可能增大,也可能减小,故观察者接收到的频率可能变低,也可能变高。
4.(多选)关于多普勒效应,下列说法中正确的是( )
A.当波源与观察者有相对运动时,才会发生多普勒效应
B.当波源与观察者运动的速度相同时,不会发生多普勒效应
C.只有机械波才能发生多普勒效应
D.只要波源运动,就一定会发生多普勒效应
【解析】选A、B。当波源与观察者有相对运动时,他们之间的距离必然发生变化,其距离增大或减小,则观察者接收到的频率就相应地减小或增大,可知必发生多普勒效应,即A选项正确;而当波源与观察者运动的速度完全相同时,无相对运动,相当于二者都静止的情况,不会发生多普勒效应,故B选项正确,D选项不正确;多普勒效应是波动过程共有的特征,这里的波动包括一切波的传播过程,故C选项不正确。
5.(多选)超声波由于具有不同于可闻声波的特性,在现代生产技术和科学研究中有许多重要应用。下列选项中,属于超声波的应用的是( )
A.探查几米厚的金属内部的缺陷
B.把普通水变成雾气喷到房间的空气中
C.探查人体内部的各种器官、组织等有无异常
D.进行人体按摩,治疗神经痛等疾患
【解析】选A、B、C、D。A、C是利用超声 ( http: / / www.21cnjy.com )波的穿透本领和反射特性,B、D是利用超声波在液体中传播时液压冲击的特性。
二、非选择题
6.新型列车动车组速度可达300km/h,与该车汽笛声的音调相比。
(1)站在车前方路旁的人听起来音调 (选填“偏高”或“偏低”)。站在车后方路旁的人听起来音调 (选填“偏高”或“偏低”)。
(2)迎面来的另一列车上的乘客听起来音调怎样 此时列车汽笛发出的音调变化了吗
(3)坐在新型列车动车组上的乘客听起来音调怎样
【解析】(1)站在列车前方的人与列车的距离在靠近,因此听起来音调偏高,站在列车后方的人与列车的距离在远离,因此音调偏低。
(2)迎面来的列车上的乘客听起来音调偏高,此时列车汽笛发出的音调不变。
(3)坐在该列车上的乘客与列车的相对位置不变,故听起来音调不变。
答案:(1)偏高 偏低 (2)偏高 没变 (3)音调不变
一、选择题
1.频率一定的声源在空气中 ( http: / / www.21cnjy.com )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
【解题指南】解答本题应明确以下三点:
(1)声源向静止的接收器运动,接收器接收到的频率变大。
(2)接收的频率随相对运动速度的增大而变大。
(3)在同一温度下,在同一介质中,机械波的传播速度不变。
【解析】选B。当声源向着接收器运动的速度增大时,声源的频率不变,声波的传播速度不变,接收器接收到的频率增大,因此B正确。
2.(2014·长沙高二检测)医院有一 ( http: / / www.21cnjy.com )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( )
A.多普勒效应 B.波的衍射
C.波的干涉 D.共振
【解析】选A。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,选项A对,B、C、D错。
【总结提升】多普勒效应与“红移”
光波与声波的不同之处在于,光波频率 ( http: / / www.21cnjy.com )的变化使人感觉到的是颜色的变化。如果恒星远离我们而去,则光的谱线就向红光方向移动,称为“红移”;如果恒星朝向我们运动,光的谱线就向紫光方向移动,称为“蓝移”。
“红移现象”是宇宙大爆炸理论的一个有力证据。
3.轮船在进港途中的x -t图像如图所示,则在港口所测到轮船上雾笛发出声音的频率是图中的哪一个( )
( http: / / www.21cnjy.com )
( http: / / www.21cnjy.com )
( http: / / www.21cnjy.com )
【解析】选A。匀速靠近港口的过程中 ( http: / / www.21cnjy.com ),测量到的频率不随时间变化,但速度大时频率大,由x -t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,故A正确。
4.在坐标原点的波源产生一列沿x轴正方向传播 ( http: / / www.21cnjy.com )的简谐横波,波速v=200m/s,已知t=0时波刚好传播到x=40m处,如图所示。在x=400m处有一接收器(图中未画出),则下列说法正确的是( )
( http: / / www.21cnjy.com )
A.波源开始振动时方向沿y轴正方向
B.从t=0开始经0.15s,x=40m的质点运动的路程为0.6m
C.接收器在t=2s时才能接收到此波
D.若波源向x轴正方向运动,接收器接收到的波的频率可能为9Hz
【解析】选B。由图知,x=40m处的质点的起振方向向下,则波源的起振方向也向下(y轴负向),A错;由图知λ=20m,A=10cm,T==0.1s,而Δt1=0.15s=T,所以x=40m的质点0.15s运动的路程为s=×4A=6A=60cm=0.6m,B对;波由x=40m处传到x=400m处所需时间Δt==s=1.8s,C错。当波源向x轴正向运动时,波源将靠近接收器,由多普勒效应知,接收器接收到的频率将大于波源频率,而波源频率为f==10Hz,D错。
二、非选择题
5.(2014·济宁高二检 ( http: / / www.21cnjy.com )测)正在报警的警钟每隔0.5s响一声。一个人正坐在以60km/h的速度向着警钟行驶的车中。已知声音在空气中的速度为330m/s,则这个人在每分钟内能听到几声警钟
【解析】先设空气中声速为v0。在时间T内传播的距离s0=v0T(T为周期),而声波在时间t内走的距离为s1=v0t;因而人不动时听到钟声次数为n0===,如果人以v的速度向声源运动,则声波在时间t内相对于人行进的距离为s2=(v0+v)t,此时人听到的钟声次数为n==·=126次。
答案:126次
6.以速度u=20m/s奔驰的火车,鸣笛声频率为275Hz,已知常温下空气中的v=340m/s。
(1)当火车驶来时,站在铁道旁的观察者听到的笛声频率是多少
(2)当火车驶去时,站在铁道旁的观察者听到的笛声频率是多少
【解析】(1)f1=·f=×275Hz≈292Hz。
(2)f2=·f=×275Hz≈260Hz。
答案:(1)292Hz (2)260Hz
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