第四节 多普勒效应
学 习 目 标 思 维 导 图
1.知道什么是多普勒效应，会用多普勒效应解释一些现象． 2.了解多普勒效应在生活中的应用．
知识点一 认识多普勒效应
【情境导学】
警车鸣笛从你身边飞速驶过，对于警车向你靠近和警车远离的过程，你会听到警笛的声音在变化．思考下列问题：
(1)你听到警笛的音调有何不同？实际上警笛的音调会变化吗？听到音调发生变化的原因是什么？
(2)多普勒效应能否发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？
【知识梳理】
多普勒效应：如果波源或观察者或两者都相对于传播介质________，那么观察者接收到的频率与波源发出的频率就不________了，这样的现象叫作多普勒效应．
状元随笔 发生多普勒效应时，是观察者接收的波的频率发生变化，波本身的频率并没有发生变化．
【重难突破】
1．多普勒效应：由于观察者和波源之间有相对运动，观察者的接收频率与波源发出的频率不同的现象．
2．多普勒效应的理解
例1 关于多普勒效应，下列说法中正确的是( )
A．发生多普勒效应时，波源频率发生了变化
B．要发生多普勒效应，波源和观察者必须有相对运动且两者间距发生变化
C．火车向你驶来时，你听到的汽笛声音调变低，火车离你远去时，你听到汽笛声音调变高
D．只有声波才能发生多普勒效应
【变式训练1】 (多选)如图甲所示，男同学站立不动吹口哨，一位女同学坐在秋千上来回摆动，据图乙，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，她感觉哨声音调变高
B．女同学在点C向左运动时，她感觉哨声音调变低
C.女同学在点C向右运动时，她感觉哨声音调不变
D.女同学从E向D运动过程中，她感觉哨声音调变高
知识点二 多普勒效应的应用
【知识梳理】
1．多普勒测速
交警向行进中的汽车发射一个已知频率的电磁波，波被汽车反射回来时，接收到的波的________发生变化，由此可以测出汽车的速度．
2．彩超
频移：当声源与接收体(即探头和反射体)之间有相对运动时，________的频率有所改变，此种频率的________被称为频移．经自相关技术进行多普勒信号处理，把频移与血流信号对应起来，因而可以通过处理频移信号建立彩色多普勒超声．
3．跟踪卫星
【重难突破】
1．超声波测速：发射装置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．据反射波频率变化的多少可以知道车辆的速度．
2．红移现象：在20世纪初，科学家们发现许多星系的谱线有“红移现象”，所谓“红移现象”，就是整个光谱结构向光谱红色的一端偏移，这种现象可以用多普勒效应加以解释．由于星系远离我们运动，接收到的星光的频率变小，谱线就向频率变小(即波长变大)的红端移动．科学家从红移的大小还可以算出这种远离运动的速度．这种现象是证明宇宙在膨胀的一个有力证据．
3．医用“彩超”：向人体发射频率已知的超声波，超声波被血管中的血液反射后被仪器接收．测出反射波的频率变化，就能知道血流的速度，据此诊断疾病．
4．可根据火车汽笛的音调的变化判断火车是进站还是出站；根据炮弹飞行的尖啸声判断炮弹飞行的方向等．
5．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，可测得星球的速度．
6．应用多普勒效应还可以跟踪人造地球卫星．
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，说明那辆轿车的车速( )
A．高于100 km/h B．低于100 km/h
C．等于100 km/h D．无法确定
【变式训练2】 一架低空飞行的飞机，从远处水平匀速地飞至某同学头顶上空，若飞机振动的频率始终不变，从听到声音至飞机飞临该同学头顶上空时刻前，他听到的飞机声音的音调( )
A．不变，且一直与飞机实际发出的声音音调相同
B．不变，且一直比飞机实际发出的声音音调低
C．不变，且一直比飞机实际发出的声音音调高
D．一直比飞机实际发出的声音音调高
随堂自主检测
1．(多选)假如一辆汽车在静止时喇叭发出声音的频率是300 Hz，在汽车向你驶来又擦身而过的过程中，下列说法正确的是( )
A．当汽车向你驶来时，听到的喇叭声音的频率大于300 Hz
B.当汽车向你驶来时，听到的喇叭声音的频率小于300 Hz
C.当汽车和你擦身而过后，听到的喇叭声音的频率大于300 Hz
D.当汽车和你擦身而过后，听到的喇叭声音的频率小于300 Hz
2．(多选)如图所示，一波源O做匀速直线运动时在均匀介质中产生球面波的情况，则( )
A．该波源正在移向A点
B．该波源正在移向B点
C．在A处观察波的频率变低
D．在B处观察波的频率变低
3．下列选项中没有利用多普勒效应的是( )
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，根据接收到波的频率发生的变化，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．有经验的战士利用炮弹飞行的尖啸声判断飞行炮弹是在接近还是在远去
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第四节 多普勒效应
知识点一
情境导学
提示：(1)警车驶来时，音调变高；警车远离时，音调变低．实际上警笛的音调不会变化．警车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，因此会感觉警笛音调变化．
(2)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．
知识梳理
运动 相同
重难突破
[例1] 解析：发生多普勒效应时，波源频率并没有发生变化，波源和观察者必须有相对运动，且两者间距发生变化，A错误，B正确．根据多普勒效应可知，当波源和观察者间距变小，观察者接收到的频率一定比波源频率高，听到的声音音调变高；当波源和观察者间距变大，观察者接收到的频率一定比波源频率低，听到的声音音调变低，C错误．所有波都能发生多普勒效应，D错误．
答案：B
【变式训练1】 解析：女同学从A向B运动过程中，靠近声源，根据多普勒效应，她感觉哨声音调变高，A正确；女同学在点C向左运动时，远离声源，根据多普勒效应，她感觉音调变低，B正确；女同学在点C向右运动时，靠近声源，根据多普勒效应，她感觉哨声音调变高，C错误；女同学从E向D运动过程中，远离声源，根据多普勒效应，她感觉到音调变低，D错误．
答案：AB
知识点二
知识梳理
1．频率
2．回声 变化
重难突破
[例2] 解析：因巡警车(观察者)接收到的电磁波频率比发出时低，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，可判定轿车车速比巡警车车速大，故A正确，B、C、D错误．
答案：A
【变式训练2】 解析：飞机和人的关系如图所示，其中S为飞机，P为该同学．利用运动的分解把飞机的速度分解为两个速度，不难得到v1＝v cos θ，v为飞机水平速度，v1为靠近速度，随着飞机飞临该同学头顶上空，θ角逐渐增大，容易看出v1逐渐减小，所以他听到的飞机声音的音调是变低的，但始终比飞机实际发出的声音音调高，故A、B、C错误，D正确．
答案：D
随堂自主检测
1．解析：根据多普勒效应规律，当汽车向你驶来时，听到的喇叭声音的频率大于300 Hz，A正确，B错误； 当汽车和你擦身而过后，听到的喇叭声音的频率小于300 Hz，C错误，D正确．
答案：AD
2．解析：波源在某一位置产生一列波面后，该波面以该位置为球心，以波速作为传播速度向外传播，反之，由波面可确定出该波面的产生位置，即波源．波面半径大，表示产生时间早，传播时间长，对照图示，可确定出波源由右向左移动，故A正确，B错误；由于观察者不动，波面经过观察者的速度等于波速，而在A处观察时，相邻波面间距比波源不动时间距小，因而经过观察者时间间隔短，频率高，同理在B处观察到的波的频率变低，故C错误，D正确．
答案：AD
3．解析：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是利用了多普勒效应，A错误；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，根据接收到波的频率发生的变化，就知道汽车的速度，以便于进行交通管理，这是利用了多普勒效应，B错误；铁路工人把耳朵贴在铁轨上可判断火车的运动情况，这是利用声波在固体中传播，没有利用多普勒效应，C正确；有经验的战士利用炮弹飞行的尖啸声判断飞行炮弹是在接近还是在远去，这是利用了多普勒效应，D错误．
答案：C
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第四节 多普勒效应
学 习 目 标 思 维 导 图
1.知道什么是多普勒效应，会用多普勒效应解释一些现象．
2.了解多普勒效应在生活中的应用．
知识点一 认识多普勒效应
【情境导学】
警车鸣笛从你身边飞速驶过，对于警车向你靠近和警车远离的过程，你会听到警笛的声音在变化．思考下列问题：
(1)你听到警笛的音调有何不同？实际上警笛的音调会变化吗？听到音调发生变化的原因是什么？
提示：警车驶来时，音调变高；警车远离时，音调变低．实际上警笛的音调不会变化．警车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，因此会感觉警笛音调变化．
(2)多普勒效应能否发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．
【知识梳理】
多普勒效应：如果波源或观察者或两者都相对于传播介质________，那么观察者接收到的频率与波源发出的频率就不________了，这样的现象叫作多普勒效应．
状元随笔 发生多普勒效应时，是观察者接收的波的频率发生变化，波本身的频率并没有发生变化．
运动
相同
【重难突破】
1．多普勒效应：由于观察者和波源之间有相对运动，观察者的接收频率与波源发出的频率不同的现象．
2．多普勒效应的理解
例1 关于多普勒效应，下列说法中正确的是( )
A．发生多普勒效应时，波源频率发生了变化
B．要发生多普勒效应，波源和观察者必须有相对运动且两者间距发生变化
C．火车向你驶来时，你听到的汽笛声音调变低，火车离你远去时，你听到汽笛声音调变高
D．只有声波才能发生多普勒效应
答案：B
解析：发生多普勒效应时，波源频率并没有发生变化，波源和观察者必须有相对运动，且两者间距发生变化，A错误，B正确．根据多普勒效应可知，当波源和观察者间距变小，观察者接收到的频率一定比波源频率高，听到的声音音调变高；当波源和观察者间距变大，观察者接收到的频率一定比波源频率低，听到的声音音调变低，C错误．所有波都能发生多普勒效应，D错误．
【变式训练1】 (多选)如图甲所示，男同学站立不动吹口哨，一位女同学坐在秋千上来回摆动，据图乙，
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，她感觉哨声音调变高
B．女同学在点C向左运动时，她感觉哨声音调变低
C.女同学在点C向右运动时，她感觉哨声音调不变
D.女同学从E向D运动过程中，她感觉哨声音调变高
答案：AB
解析：女同学从A向B运动过程中，靠近声源，根据多普勒效应，她感觉哨声音调变高，A正确；女同学在点C向左运动时，远离声源，根据多普勒效应，她感觉音调变低，B正确；女同学在点C向右运动时，靠近声源，根据多普勒效应，她感觉哨声音调变高，C错误；女同学从E向D运动过程中，远离声源，根据多普勒效应，她感觉到音调变低，D错误．
知识点二 多普勒效应的应用
【知识梳理】
1．多普勒测速
交警向行进中的汽车发射一个已知频率的电磁波，波被汽车反射回来时，接收到的波的________发生变化，由此可以测出汽车的速度．
2．彩超
频移：当声源与接收体(即探头和反射体)之间有相对运动时，________的频率有所改变，此种频率的________被称为频移．经自相关技术进行多普勒信号处理，把频移与血流信号对应起来，因而可以通过处理频移信号建立彩色多普勒超声．
3．跟踪卫星
频率
回声
变化
【重难突破】
1．超声波测速：发射装置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．据反射波频率变化的多少可以知道车辆的速度．
2．红移现象：在20世纪初，科学家们发现许多星系的谱线有“红移现象”，所谓“红移现象”，就是整个光谱结构向光谱红色的一端偏移，这种现象可以用多普勒效应加以解释．由于星系远离我们运动，接收到的星光的频率变小，谱线就向频率变小(即波长变大)的红端移动．科学家从红移的大小还可以算出这种远离运动的速度．这种现象是证明宇宙在膨胀的一个有力证据．
3．医用“彩超”：向人体发射频率已知的超声波，超声波被血管中的血液反射后被仪器接收．测出反射波的频率变化，就能知道血流的速度，据此诊断疾病．
4．可根据火车汽笛的音调的变化判断火车是进站还是出站；根据炮弹飞行的尖啸声判断炮弹飞行的方向等．
5．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，可测得星球的速度．
6．应用多普勒效应还可以跟踪人造地球卫星．
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，说明那辆轿车的车速( )
A．高于100 km/h B．低于100 km/h
C．等于100 km/h D．无法确定
答案：A
解析：因巡警车(观察者)接收到的电磁波频率比发出时低，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，可判定轿车车速比巡警车车速大，故A正确，B、C、D错误．
【变式训练2】 一架低空飞行的飞机，从远处水平匀速地飞至某同学头顶上空，若飞机振动的频率始终不变，从听到声音至飞机飞临该同学头顶上空时刻前，他听到的飞机声音的音调( )
A．不变，且一直与飞机实际发出的声音音调相同
B．不变，且一直比飞机实际发出的声音音调低
C．不变，且一直比飞机实际发出的声音音调高
D．一直比飞机实际发出的声音音调高
答案：D
解析：飞机和人的关系如图所示，其中S为飞机，P为该同学．利用运动的分解把飞机的速度分解为两个速度，不难得到v1＝v cos θ，v为飞机水平速度，v1为靠近速度，随着飞机飞临该同学头顶上空，θ角逐渐增大，容易看出v1逐渐减小，所以他听到的飞机声音的音调是变低的，但始终比飞机实际发出的声音音调高，故A、B、C错误，D正确．
1．(多选)假如一辆汽车在静止时喇叭发出声音的频率是300 Hz，在汽车向你驶来又擦身而过的过程中，下列说法正确的是( )
A．当汽车向你驶来时，听到的喇叭声音的频率大于300 Hz
B.当汽车向你驶来时，听到的喇叭声音的频率小于300 Hz
C.当汽车和你擦身而过后，听到的喇叭声音的频率大于300 Hz
D.当汽车和你擦身而过后，听到的喇叭声音的频率小于300 Hz
答案：AD
解析：根据多普勒效应规律，当汽车向你驶来时，听到的喇叭声音的频率大于300 Hz，A正确，B错误； 当汽车和你擦身而过后，听到的喇叭声音的频率小于300 Hz，C错误，D正确．
2．(多选)如图所示，一波源O做匀速直线运动时在均匀介质中产生球面波的情况，则( )
A．该波源正在移向A点
B．该波源正在移向B点
C．在A处观察波的频率变低
D．在B处观察波的频率变低
答案：AD
解析：波源在某一位置产生一列波面后，该波面以该位置为球心，以波速作为传播速度向外传播，反之，由波面可确定出该波面的产生位置，即波源．波面半径大，表示产生时间早，传播时间长，对照图示，可确定出波源由右向左移动，故A正确，B错误；由于观察者不动，波面经过观察者的速度等于波速，而在A处观察时，相邻波面间距比波源不动时间距小，因而经过观察者时间间隔短，频率高，同理在B处观察到的波的频率变低，故C错误，D正确．
3．下列选项中没有利用多普勒效应的是( )
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，根据接收到波的频率发生的变化，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．有经验的战士利用炮弹飞行的尖啸声判断飞行炮弹是在接近还是在远去
答案：C
解析：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是利用了多普勒效应，A错误；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，根据接收到波的频率发生的变化，就知道汽车的速度，以便于进行交通管理，这是利用了多普勒效应，B错误；铁路工人把耳朵贴在铁轨上可判断火车的运动情况，这是利用声波在固体中传播，没有利用多普勒效应，C正确；有经验的战士利用炮弹飞行的尖啸声判断飞行炮弹是在接近还是在远去，这是利用了多普勒效应，D错误．
1．(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
答案：BD
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，根据接收频率的变化可以进行测速，B、D正确．
2．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，它可以控制汽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为毫米波雷达，该雷达会发射和接收调制过的无线电波，再通过回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，表明两车之间距离增大
D．当f′＜f时，表明两车之间距离减小
答案：A
解析：当声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，但不一定静止，A正确，B错误；当f′＞f时，说明接收到的频率增大，两车间距离减小，C错误；当f′＜f时，说明接收到的频率减小，则两车间距离增大，D错误．
3．(多选)一渔船向鱼群发出超声波，若鱼群正向渔船靠近，则被鱼群反射回来的超声波与发出的超声波相比( )
A．波速变大 B．波速不变
C．频率变高 D．频率不变
答案：BC
解析：在同种介质中，超声波的传播速度保持不变，根据多普勒效应可知，当波源与观察者相互靠近时，观察者接受到的频率大于波源发出的频率，所以B、C正确．
4．如图，安装在公路旁的多普勒测速仪，它向行驶中的车辆发射已知频率的超声波，并接收被车辆反射回来的反射波．当某汽车远离测速仪时，被该汽车反射回来的反射波与测速仪发出的超声波相比( )
A．频率不变，波速不变
B．频率变小，波速不变
C．频率变小，波速变小
D．频率变大，波速变大
答案：B
解析：根据多普勒效应可知，当某汽车远离测速仪时，被该汽车反射回来的反射波与测速仪发出的超声波相比，频率变小，波速不变，B正确．
5.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，在一次正朝着表面平直的墙壁飞扑期间，下列判断正确的是( )
A．墙壁接收到的超声脉冲频率等于39 000 Hz
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39 000 Hz
答案：C
解析：因为蝙蝠在靠近墙壁运动，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；蝙蝠接收到从墙壁反射回来的超声脉冲频率大于39 000 Hz，D错误．
6.轮船在进港途中的x-t图像如图所示，下列表示在港口所测到轮船上雾笛发出声音的频率与时间的关系图中正确的是( )
答案：A
解析：轮船匀速靠近港口的过程中，测到的频率不随时间变化，但速度大时，港口测到的雾笛声音频率大，由x-t图像可知，轮船靠近港口时三段时间内的速度关系为v1＞v3＞v2，可知f1＞f3＞f2，A正确．
