物理人教版选修3-4第十二章+机械波12-5+Word版含答案

[目标定位]　1.了解多普勒效应，能运用多普勒效应解释一些物理现象.2.知道什么是波面和波线.3.了解惠更斯原理，会用惠更斯原理解释波的反射与折射现象．
一、多普勒效应
1．定义
波源与观察者互相靠近或者互相远离时，接收到的波的频率都会发生变化，这种现象叫做多普勒效应．
2．成因
(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，1 s内通过观察者的波峰(或密部)的数目增加，观察到的频率增加；反之，当波源与观察者互相远离时，观察到的频率变小．
3．理解
(1)多普勒效应是波共有的特征，不仅机械波，光波和电磁波也都会发生多普勒效应．
(2)发生多普勒效应时，波源发出的频率不变，变化的是观察者接收到的频率．
(3)当波源与观察者相互接近时，f观察者变大，音调变高．如图1甲中波源S不动，观察者由A向B运动和图乙中观察者A不动，波源由S1向S2运动．
当波源与观察者相互远离时，f观察者变小，音调变低，如图1甲中波源S不动，观察者由A向C运动．(均选填“大”或“小”)
图1
4．应用
(1)测车辆速度；
(2)测量星球速度；
(3)测血液速度．
【深度思考】
当火车鸣笛从远方呼啸而来，又奔驰而去时，观察者听到汽笛的声音先变大后变小，音调由高变低，这都是多普勒效应引起的吗？
答案　多普勒效应指的是接收到的频率的变化情况，即音调的变化情况；而声音大小指的是响度，所以声音变小不是多普勒效应，音调由高到低变化是多普勒效应．
　　　　　　　　　　　　　　　　　　
【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．多普勒效应是在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
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，故选项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，B正确；此现象是奥地利物理学家多普勒首先发现的，故选项D正确．
答案　BCD
判断观察者接收的频率是怎么样变化的，就是看波源与观察者间的相对运动情况.
【例2】　(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
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，频率变高，所以B、C正确．
答案　BC
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频率变大，但波源的频率不变.
二、惠更斯原理
1．波面和波线
(1)波面：在波的传播过程中，任何振动状态相同的质点所组成的面．
波面为球面的波叫球面波(如图2甲所示)，波面为平面的波叫平面波(如图乙所示)．
图2
(2)波线：与波面垂直的那些线代表了波的传播方向，叫做波线．
2．惠更斯原理
(1)内容：介质中任一波面上的各点，都可以看做发射子波的波源，其后任意时刻，这些子波在波前进方向的包络面就是新的波面．
(2)应用：如果知道某时刻一列波的某个波面的位置，还知道波速，利用惠更斯原理可以得到下一时刻这个波面的位置，从而确定波的传播方向．
3．利用惠更斯原理可以解释平面波和球面波的传播、波的衍射、干涉和折射现象，但无法说明衍射现象与狭缝或障碍物的大小关系．
【深度思考】
在波的传播过程中，只有介质中某些特殊的质点可以看做是新的波源吗？子波是真实存在的波吗？
答案　在波的传播过程中，介质中所有参与振动的质点都可以看做是新的波源，子波是为了解释波动现象而假想出来的波．
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
【例3】　(多选)关于对惠更斯原理的理解，下列说法正确的是(　　)
A．同一波面上的各质点振动情况完全相同
B．同一波面上的各质点振动情况可能不相同
C．球面波的波面是以波源为中心的一个个球面
D．无论怎样的波，波线始终和波面垂直
解析　按照惠更斯原理：波面是由任意时刻振动情况完全相同的点构成的面，故A正确，B错；由波面和波线的概念，不难判定C、D正确．
答案　ACD
三、对波的反射与折射的理解
1．波的反射：反射波的波长、波速、频率跟入射波的相同．(填“相同”或“不同”)
2．波的折射：在波的折射中，波的频率不变，波速和波长发生改变．(填“不变”或“发生改变”)
3．波在两种介质的界面上发生折射的原因是波在不同的介质中的传播速度不同．
【深度思考】
波不仅有反射现象，也有折射现象，请用惠更斯原理解释波的反射和折射现象．
甲
答案　(1)波的反射的解释：
如图甲所示，a、c、b三条波线并不同时到达界面，它们到达界面时产生子波的时间也就有先有后，子波传播的距离也就有远有近，A′B′是新的波面，与反射波方向垂直．但由于反射波与入射波相比，波长、波速和频率都不变．所以在图中直角三角形A′AB′≌直角三角形BB′A.也就可以进一步证明入射角i＝反射角i′.
(2)
乙
波的折射的解释
如图乙所示，当一束平面波中的波线a首先于时刻t由介质1到达界面，之后又经过时间Δt，波线b也到达界面；这时A、C′两点发出的子波在介质2中的包络面为图中的A′B′，这是波进入介质2之后的新的波面．由于是两种不同的介质，其中波的传播速度v1、v2不一定相同，在Δt这段时间内，两条波线传播的距离AA′和BB′也不一定相同，因此波进入第二种介质中传播方向常常发生偏折．
　　　　　　　　　　　　　　　　　　
【例4】　(多选)下列说法正确的是(　　)
A．波发生反射时，波的频率不变，波速变小，波长变短
B．波发生反射时，波的频率、波长、波速均不变
C．波发生折射时，波的频率不变，但波长、波速发生变化
D．波发生折射时，波的频率、波长、波速均发生变化
解析　波发生反射时，波在同一种介质中传播，频率、波长和波速均不变，选项A错误，B正确；波发生折射时，是从一种介质传播到另一种介质，波速发生变化，波的频率由波源决定，所以波的频率不变，由公式v＝λf可知，波长发生变化，选项C正确，D错误．
答案　BC
波的反射、折射现象中各物理量的变化
波向前传播时在两介质的界面上同时发生了反射和折射现象，一些物理量相应发生了变化，比较如下：
　　　波现象
比较项目　　　
波的反射
波的折射
传播方向
改变，θ反＝θ入
改变，θ折≠θ入
频率f
不变
不变
波速v
不变
改变
波长λ
不变
改变
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
1．(对多普勒效应的理解)(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．铁路工人用耳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，因此利用光波的多普勒效应便可测定遥远星体相对地球远离的速度，故A选项正确；被反射的电磁波，相当于一个运动的物体发出的电磁波，其频率发生变化，由多普勒效应的计算公式可以求出运动物体的速度，故B选项正确；铁路工人是根据振动的强弱而对火车的运动情况做出判断的，故C选项错误；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，故D选项正确．
2．(多普勒效应的应用)(多选)如图3所示是一波源O做匀速直线运动时在均匀介质中产生球面波的情况，则(　　)
图3
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　波源到a方向的波峰(或密部)的数目增加，说明波源在向a点移动．靠近a处，远离b处，所以在a处观察频率变高，在b处观察频率变低．
3．(对惠更斯原理的理解)(多选)下列关于惠更斯原理的说法正确的是(　　)
A．惠更斯原理能够解释波的反射和折射现象
B．惠更斯原理能够解释波的衍射现象
C．介质中任何一个波面的各点，都可以看成发射子波的波源
D．惠更斯原理能够解释衍射现象与障碍物或孔的大小的关系
答案　ABC
解析　惠更斯原理解释了波的传播相关的问题，所以能够解释波的反射现象和折射现象，故A正确；同样对波的衍射现象，惠更斯原理也可以解释，但不能解释衍射现象与孔或障碍物大小的关系，故B正确，D错误；由惠更斯原理可知，C正确．
4．(波的反射与折射)如图4所示，1、2、3分别代表入射波、反射波、折射波的波线，则(　　)
图4
A．2与1的波长、频率相等，波速不等
B．2与1的波速、频率相等，波长不等
C．3与1的波速、频率、波长相等
D．3与1的频率相等，波速、波长均不等
答案　D
解析　反射波的波长、频率、波速与入射波都应相等，故A、B错；折射波的波长、波速与入射波都不等，但频率相等，故C错，D正确．
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
题组一　多普勒效应
1．(多选)下列哪些现象是多普勒效应(　　)
A．远去的汽车声音越来越小
B．炮弹迎面飞来，声音刺耳
C．火车向你驶来时，音调变高；驶离你而去时，音调变低
D．大风中，远处人的说话声时强时弱
答案　BC
解析　A项和D项中所说的现象是能量传播的问题，不是多普勒效应．B、C两项所发生的现象是多普勒效应．
2．(多选)根据多普勒效应，下列说法正确的是(　　)
A．当波源与观察者有相对运动时，观察者接收到的频率一定发生变化
B．当波源与观察者同向运动时，观察者接收到的频率一定比波源发出的频率低
C．当波源与观察者相向运动时，观察者接收到的频率一定比波源发出的频率高
D．当波源与观察者反向运动时，观察者接收到的频率一定比波源发出的频率低
答案　CD
解析　当波源与观察者的相对距离减小时，观察者单位时间内接收到的完整波的个数增多，即观察者接收到的频率比波源发出的频率高；当二者的相对距离增大时，观察者单位时间内接收到的完整波的个数减少，即观察者接收到的频率比波源发出的频率低．当波源与观察者有相对运动，但距离不变时(如圆周运动)，则不会出现多普勒效应，选项A错误；当波源与观察者同向运动时，二者的距离可能增大，也可能减小，也可能不变，选项B错误；当波源与观察者相向运动时，二者的相对距离减小，故选项C正确；当波源与观察者反向运动时，二者的相对距离增大，选项D正确．
3. (多选)如图1所示，将上下振动的振针水平移动，移动过程中在水面上形成了如图所示的水波图形，下列说法正确的是(　　)
图1
A．振针向右移动
B．振针向左移动
C．在A处的观察者，接收到的水波频率变小
D．在A处的观察者，接收到的水波频率变大
答案　AC
解析　振针(波源)前进方向上的水波变得密集，在其反方向的水波变得稀疏，因此振针向右移动；由于波源远离观察者时，水波波长变长，观察者接收到的频率变小，故A、C正确．
4．(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　科学家用激光测量月球与地球间的距离是利用了波的反射原理，故选项A错误；选项B、D是利用了超声波的多普勒效应；选项C是利用了超声波波长短、穿透能力强的特点．故选项B、D正确．
5．(多选)如图2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(　　)
图2
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
答案　AD
解析　女同学荡秋千的过程中，只要她有向右的速度，她都有靠近声源的趋势，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．
6．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，如果该电磁波被轿车反射回来时，巡警车接收到的电磁波的频率比发出时低．
(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)若轿车以20 m/s的速度行进，反射回的频率应________．(填“偏高”或“偏低”)
答案　(1)C　(2)偏高
解析　(1)巡警车接收到的电磁波的频率比发出时低，此现象为多普勒效应．
(2)若该轿车以20 m/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偏高．
题组二　惠更斯原理
7．(多选)下列说法正确的是(　　)
A．波线表示波的传播方向
B．波面表示波的传播方向
C．只有横波才有波面
D．波传播中某时刻任一波面上各子波波面的包络面就是新的波面
答案　AD
解析　波线表示波的传播方向，故A正确，B错误；所有的波都具有波面，故C错误；由惠更斯原理可知，D正确．
8．(多选)下列说法中正确的是(　　)
A．根据惠更斯原理可知，介质中任一波面上的各点，都可以看做发射子波的波源
B．惠更斯原理只能解释球面波的传播，不能解释平面波的传播
C．若知道某时刻一列波的某个波面的位置，由惠更斯原理就可以确定波的传播方向
D．惠更斯原理不但可以解释波的直线传播，还可以解释波的反射与折射等相关现象
答案　AD
解析　惠更斯原理将介质中任一波面上的各点看做发射子波的波源，可以解释波传播中的包括反射、折射在内的传播规律，故A、D正确．
题组三　波的反射与折射
9．声波从声源发出，在空中向外传播的过程中(　　)
A．波速在逐渐变小 B．频率在逐渐变小
C．振幅在逐渐变小 D．波长在逐渐变小
答案　C
解析　根据惠更斯原理知，声波从声源发出后，在空中向外传播的过程中，形成了以波源为中心的波面，波面上的每个点都是子波的波源，然后又形成子波波面，形成的包络面，即为新波面，但声源提供的能量一定，在形成新的波面后，总能量不变，但每个新波面获得的能量减少，故在波的传播过程中振幅逐渐减小，故应选C.
10．一列声波从空气传入水中，已知水中声速较大，则(　　)
A．声波频率不变，波长变小
B．声波频率不变，波长变大
C．声波频率变小，波长变大
D．声波频率变大，波长不变
答案　B
解析　由于波的频率由波源决定，因此波无论在空气中还是在水中频率都不变，故C、D错；又因波在水中速度较大，由公式v＝λf可得，波在水中的波长较大，故A错，B正确．
题组四　综合应用
11．下列物理现象中：
(1)春天里在一次闪电过后，有时雷声轰鸣不绝；
(2)“闻其声而不见其人”；
(3)学生围绕振动的音叉转一圈会听到忽强忽弱的声音；
(4)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．反射、衍射、干涉、多普勒效应
B．折射、衍射、多普勒效应、干涉
C．反射、折射、干涉、多普勒效应
D．衍射、折射、干涉、多普勒效应
答案　A
12．(1)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
(2)用2×106Hz的超声波检查胆结石，该超声波在结石和胆汁中的波速分别为2 250 m/s和1 500 m/s，则该超声波在结石中的波长是胆汁中的________倍．用超声波检查胆结石是因为超声波的波长较短，遇到结石时________(选填“容易”或“不容易”)发生衍射．
答案　(1)BC　(2)1.5　不容易
解析　(1)渔船与鱼群相互靠近，被鱼群反射回来的超声波的速度大小不变；由多普勒效应知，反射回来的超声波的频率变高．故选项B、C正确．
(2)由v＝λf知，超声波在结石中的波长λ1＝，在胆汁中的波长λ2＝，则波长之比＝＝1.5.
超声波遇到结石时，其波长远小于结石的线度，则超声波遇到结石时不容易发生衍射现象．
13．一艘汽船以4 m/s的速度在无风河面上航行，船上发出一声鸣笛，旅客在3 s后听到前方悬崖反射回来的声音．则悬崖离汽船原来的位置有多远？
答案　516 m
解析　
如图所示，船发出鸣笛声于B处，旅客听到回声位置在A处，即3 s内汽船前进了A、B间的距离l，则声波走过2 s－l的距离．
所以v声t＝2s－l＝2s－v船t，
解得s＝＝ m＝516 m.
14．一声波在空气中的波长为25 cm，速度为340 m/s，当折射进入另一种介质时，波长变为80 cm，求：
(1)声波在这种介质中的频率；
(2)声波在这种介质中的传播速度．
答案　(1)1 360 Hz　(2)1 088 m/s
解析　(1)声波由空气进入另一种介质时，频率不变，由v＝λf得f＝＝ Hz＝1 360 Hz.
(2)因频率不变，有＝，得：v′＝v＝×340 m/s＝1 088 m/s.