（浙江專版）2018年高中物理 第十二章 機械波 第5、6節(jié) 多普勒效應 惠更斯原理學案 新人教版選修3-4

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1、 第5、6節(jié)多普勒效應__惠更斯原理 多普勒效應及產生的原因 [探新知·基礎練] 1．多普勒效應 (1)音調：音調由頻率決定，頻率高則音調高，頻率低則音調低。 (2)多普勒效應：波源與觀察者互相靠近或者互相遠離時，接收到的波的頻率都會發(fā)生變化的現(xiàn)象。 2．多普勒效應產生的原因 (1)波源與觀察者相對靜止時，1 s內通過觀察者的波峰(或密部)的數(shù)目是一定的，觀察者觀測到的頻率等于波源振動的頻率。 (2)當波源與觀察者相互靠近時，1 s內通過觀察者的波峰(或密部)的數(shù)目增加，觀察到的頻率增加；反之，當波源與觀察者互相遠離時，觀察到的頻率變小。 [辨是非](對的劃“√”，

2、錯的劃“×”) 1．發(fā)生多普勒效應時，波源發(fā)出的頻率不變。(√) 2．多普勒效應說明波源的頻率發(fā)生變化。(×) 3．多普勒效應是指觀察者接收到的頻率比波源發(fā)出的頻率大的情況。(×) [釋疑難·對點練] 多普勒效應的產生 (1)波源完成一次全振動，向外發(fā)出一個波長的波，稱為一個完全波。頻率表示單位時間內完成的全振動的次數(shù)。因此波源的頻率又等于單位時間內波源發(fā)出的完全波的個數(shù)。 (2)觀察者聽到的聲音的音調，是由觀察者接收到的頻率，即單位時間內接收到的完全波的個數(shù)決定的。 ①波源和觀察者相對靜止。觀察者接收到的頻率等于波源的頻率； ②波源和觀察者有相對運動。觀察者在單位時間內接收

3、到的完全波的個數(shù)發(fā)生變化，即感覺到波的頻率發(fā)生變化。 波源與觀察者如果相互靠近，觀察者接收到的頻率增大；二者如果相互遠離，觀察者接收到的頻率減小。 (3)多普勒效應是波的特性，不只是機械波會產生多普勒效應，后面所學的光波、電磁波也會產生這一現(xiàn)象。 [特別提醒]　發(fā)生多普勒效應是由于波源與觀察者發(fā)生了相對運動，而與波源到觀察者的距離無關。 [試身手] 1．(多選)下列哪些現(xiàn)象是多普勒效應造成的(　　) A．遠去的汽車聲音越來越小 B．炮彈迎面飛來，聲音刺耳 C．火車向你駛來時，音調變高，遠離你而去時，音調變低 D．大風中，遠處人的說話聲時強時弱 解析：選BC　聲波音調的高低由

4、其頻率決定，據(jù)多普勒效應，當聲源與觀察者發(fā)生相對運動時，觀察者聽到的音調會變化，B、C正確；聲音的強弱由聲波的能量決定，聲源越近，聲波能量越大，聽起來越響亮，但音調不一定變化，A、D項不是由多普勒效應造成的。 多普勒效應的應用 [探新知·基礎練] 1．測車輛速度 交警向行進中的車輛發(fā)射頻率已知的超聲波，同時測量反射波的頻率，根據(jù)反射波頻率變化的多少就能知道車輛的速度。 2．測星球速度 測量星球上某些元素發(fā)出的光波的頻率。然后與地球上這些元素靜止時發(fā)光的頻率對照，可得星球的速度。 3．測血流速度 向人體內發(fā)射已知頻率的超聲波，超聲波被血管中的血流反射后又被儀器接收，測出反射波

5、的頻率變化就可得血流速度。 [辨是非](對的劃“√”，錯的劃“×”) 1．利用超聲波的多普勒效應可以測車輛速度。(√) 2．人們可以根據(jù)接收到太陽光的頻率變小判斷太陽離地球遠去。(√) 3．在醫(yī)學上，醫(yī)生根據(jù)超聲波的多普勒效應測量血流速度。(√) [釋疑難·對點練] 1．多普勒效應再理解 (1)多普勒效應是指觀察者所接收到的波的頻率與波源頻率不同的現(xiàn)象，并不是接收到的波的強度發(fā)生變化的現(xiàn)象。 (2)發(fā)生多普勒效應時，波源的頻率并沒有變化，是接收者接收到的頻率(單位時間內接收到的完整波的個數(shù))發(fā)生變化(大于或小于波源頻率)。 (3)多普勒效應的產生不是取決于波源與觀察者之間

6、的距離，而是取決于二者相對速度的大小和方向。 2．多普勒效應應用 (1)交警向行進中的車輛發(fā)射頻率已知的超聲波，同時測量反射波的頻率，根據(jù)反射波的頻率變化的多少就能知道車輛的速度。 (2)利用多普勒效應測量恒星相對速度的方法。光波與聲波的不同之處在于，光波頻率的變化使人感覺到的是顏色的變化。如果恒星遠離我們而去，則光的譜線就向紅光方向移動，稱為紅移；如果恒星朝向我們運動，光的譜線就向紫光方向移動，稱為藍移。波源的速度越高，所產生的效應越大，根據(jù)光波紅/藍移的程度，可以計算出波源循著觀測方向運動的速度。 (3)了解血液流動速度，可以通過發(fā)射超聲波來實現(xiàn)。由于血管內的血液是流動的物體，所

7、以超聲波振源與相對運動的血液間就產生多普勒效應。血管向著超聲源運動時，反射波的波長被壓縮，因而頻率增加。血管離開聲源運動時，反射波的波長變長，因而在單位時間里頻率減少。反射波頻率增加或減少的量，是與血液流動速度成正比，從而就可根據(jù)超聲波的頻移量，測定血液的流速。 [試身手] 2．(多選)下面哪些應用是利用了多普勒效應(　　) A．利用地球上接收到遙遠天體發(fā)出的光波的頻率來判斷遙遠天體相對于地球的運動速度 B．交警向行進中的汽車發(fā)射一個已知頻率的電磁波，波被運動的汽車反射回來時，根據(jù)接收到的頻率發(fā)生的變化，就可知汽車的速度，以便于交通管理 C．鐵路工人用耳貼在鐵軌上可判斷火車的運動情況

8、 D．有經(jīng)驗的戰(zhàn)士從炮彈飛行的尖叫聲判斷飛行炮彈是接近還是遠去 解析：選ABD　凡是波都具有多普勒效應，因此利用光波的多普勒效應便可以測定遙遠天體相對于地球的運動速度，A選項正確；被反射的電磁波，相當于一個運動的汽車發(fā)出的電磁波，其頻率發(fā)生變化，由多普勒效應可求出運動汽車的速度，B選項正確；鐵路工人根據(jù)振動的強弱而對列車的運動作出判斷，C選項錯誤；炮彈飛行，與空氣摩擦產生聲波，人耳接收到的頻率與炮彈的相對運動方向有關，D選項正確。 惠更斯原理及應用 [探新知·基礎練] 1．波面和波線 (1)波面：從波源出發(fā)的波，經(jīng)過同一時間到達的各點所組成的面，如圖所示。 (2)波線：用

9、來表示波的傳播方向的線，波線與各個波面總是垂直的。 說明：波面是球面的波為球面波，如空氣中的聲波。波面是平面的波為平面波。 2．惠更斯原理 (1)內容：介質中任一波面上的各點，都可以看做發(fā)射子波的波源，其后任意時刻，這些子波在波前進方向的包絡面就是新的波面。 (2)包絡面：某時刻與子波波面相切的曲面。 (3)應用：如果知道某時刻一列波的某個波面的位置，還知道波速，利用惠更斯原理可以得到下一時刻波面的位置，從而可確定波的前進方向。 [辨是非](對的劃“√”，錯的劃“×”) 1．用惠更斯原理可以解釋波的傳播方向問題。(√) 2．用惠更斯原理可以解釋光的反射和折射現(xiàn)象。(√) 3．

10、用惠更斯原理不可以解釋波的衍射現(xiàn)象。(×) [釋疑難·對點練] 1．對惠更斯原理的理解 (1)惠更斯原理中，同一波面上的各點都可以看做子波的波源。波源的頻率與子波波源的頻率相等。 (2)波線的指向表示波的傳播方向。 (3)在各向同性的均勻介質中，波線恒與波面垂直。 (4)球面波的波線是沿半徑方向的直線，平面波的波線是垂直于波面的平行直線。 (5)利用惠更斯原理可以解釋平面波和球面波的傳播、波的衍射、干涉和折射現(xiàn)象，但無法說明衍射現(xiàn)象與狹縫或障礙物的大小關系。 2．惠更斯原理的應用 (1)應用惠更斯原理解釋波的衍射： 如圖甲所示，平面波到達擋板上的狹縫AB，按照惠更斯原理，波

11、面上的每一點都可以看做子波的波源，位于狹縫的點也就是子波源。因此波可以到達擋板后的位置。這就是波的衍射現(xiàn)象。 (2)應用惠更斯原理解釋波的反射： 惠更斯原理對波的反射的解釋，如圖乙中a、c、b是入射波的波線，a′、c′、b′是反射波的波線。過a的入射點A作與波線垂直的波面AB，在波面AB上找三點A、C、B作為子波源，設波速為v，取時間間隔Δt＝；作Δt時間后子波源A、C發(fā)出的子波波面如圖中小圓弧所示；畫出子波波面的包絡面A′B′，根據(jù)波線與波面的方位關系畫出反射波線a′、c′、b′，代表了反射波的波線。 (3)應用惠更斯原理解釋波的折射現(xiàn)象： 當波由一種介質進入另一種介質時發(fā)生偏折

12、的現(xiàn)象叫做波的折射。用惠更斯原理解釋如下： 如圖丙所示，一束平面波中的波線a首先于時刻t由介質1到達界面。波線a進入介質2后，又經(jīng)過時間Δt，波線b也到達界面。這時A、C′兩點發(fā)出的子波的波面如圖中兩小段圓弧所示，它們的包絡面為圖中的A′B′，這是波進入介質2之后的新的波面。由于是兩種不同的介質，其中波的傳播速度v1、v2不一定相同，在Δt這段時間內，兩條波線a和b前進的距離AA′和BB′也不一定相同。因此波進入第二種介質后傳播方向常常發(fā)生偏折。這是波的折射現(xiàn)象。 [試身手] 3．聲源發(fā)出的聲波在空氣中向外傳播過程中，振幅將逐漸減小，如何用惠更斯原理解釋？ 解析：根據(jù)惠更斯原理可知，聲

13、波從聲源發(fā)出后，在空中向外傳播的過程中，形成了以波源為中心的波面。面上的每個點都是子波的波源，然后又形成子波波面，形成包絡面，即為新波面。但聲源提供的能量一定，在形成新的波面后，總能量不變，但每個新波面獲得的能量減少，故在波的傳播過程中振幅逐漸減小。 答案：見解析 多普勒現(xiàn)象應用 發(fā)生多普勒效應的幾種情況 相對位置 圖示 結論 波源S和觀察者A相對介質不動 f波源＝f觀察者，音調不變 波源S不動，觀察者A運動，由A→B或A→C 若靠近波源，由A→B，則f波源＜f觀察者，音調變高；若遠離波源，由A→C，則f波源＞f觀察者，音調變低 觀察者A不動，波源S運

14、動，由S→S2 f波源＜f觀察者，音調變高 [典例1]　關于多普勒效應，以下說法正確的有(　　) A．只有機械波才能產生多普勒效應 B．當波源和觀察者都運動時就產生多普勒效應 C．產生多普勒效應的原因是波源的頻率發(fā)生了變化 D．產生多普勒效應的原因是觀察者接收到的頻率發(fā)生了變化 [思路點撥]　由于波源和觀察者間存在相對運動，導致觀察者接收到的頻率與波源的頻率不同，而波源的頻率并沒有發(fā)生變化。 [解析]選D　多普勒效應是波動過程共有的特征，無論是機械波、電磁波還是光波都會發(fā)生多普勒效應。產生多普勒效應的原因是波源和觀察者有相對運動，導致觀察者接收到的波的頻率發(fā)生了變化，而波源

15、的頻率不變。故選項D正確，A、B、C錯誤。 [典例2]　公路巡警開車在高速公路上以100 km/h的恒定速度巡查，在同一車道上巡警車向前方的一輛轎車發(fā)出一個已知頻率的超聲波，結果該超聲波被那輛轎車反射回來時，巡警車接收到的超聲波頻率比發(fā)出時低。 (1)此現(xiàn)象屬于(　　) A．波的衍射　　　　　　 B．波的干涉 C．多普勒效應 D．波的反射 (2)若該路段限速為100 km/h，則該轎車是否超速？ (3)若該轎車以20 m/s的速度行進，反射回的超聲波頻率應怎樣變化？ [思路點撥]　觀察者與波源相互遠離，觀察者接收到的頻率低于波源的頻率；觀察者與波源相互靠近，觀察者接收到的頻率

16、高于波源的頻率。 [解析]　(1)巡警車接收到的超聲波頻率比發(fā)出時低，此現(xiàn)象為多普勒效應，選項C正確。 (2)因巡警車接收到的頻率低，由多普勒效應知巡警車與轎車在相互遠離，而巡警車車速恒定且在后面，可判斷轎車車速比巡警車車速(100 km/h)大，故該轎車超速。 (3)若該轎車以20 m/s的速度行進時，此時巡警車與轎車在相互靠近，由多普勒效應知反射回的超聲波頻率應變高。 [答案]　(1)C　(2)超速　(3)變高 由多普勒效應判斷波源或觀察者的運動方向及速度時，只需比較波源頻率f源和觀察者接收到的頻率f觀之間的大小關系。當f源>f觀時，兩者間距離在增大；當f源

17、離在減小。 惠更斯原理的應用 解釋波的反射與折射 1．波的反射：反射波的波長、波速、頻率跟入射波的相同。 2．波的折射：在波的折射中，波的頻率不變，波速和波長發(fā)生改變。 3．波在兩種介質的界面上發(fā)生折射的原因是波在不同的介質中的傳播速度不同。 [典例3]　(多選)下列說法正確的是(　　) A．波發(fā)生反射時，波的頻率不變，波速變小，波長變短 B．波發(fā)生反射時，波的頻率、波長、波速均不變 C．波發(fā)生折射時，波的頻率不變，但波長、波速發(fā)生變化 D．波發(fā)生折射時，波的頻率、波長、波速均發(fā)生變化 [解析]選BC　波發(fā)生反射時，波在同一種介質中傳播，頻率、波長和波速均不變，選項A

18、錯誤，選項B正確；波發(fā)生折射時，是從一種介質傳播到另一種介質，波速發(fā)生變化，波的頻率由波源決定，所以波的頻率不變，由公式v＝λf可知，波長發(fā)生變化，選項D錯誤，選項C正確。 [課堂對點鞏固] 1．(多選)下列關于多普勒效應的說法中正確的是(　　) A．只要波源在運動，就一定能產生多普勒效應 B．當聲源靜止、觀察者運動時，會產生多普勒效應 C．只要聲源在運動，觀察者總是感到聲音的頻率變高 D．當聲源相對于觀察者運動時，觀察者聽到的聲音的音調可能變高，也可能變低 解析：選BD　當波源與觀察者有相對運動時，才能產生多普勒效應，如果二者相互接近，觀察者接收到的頻率增大，感到聲音

19、的音調變高；如果二者遠離，觀察者接收到的頻率減小，感到聲音的音調變低，所以應選B、D。 2．(多選)下列說法中正確的是(　　) A．根據(jù)惠更斯原理可知，介質中任一波面上的各點，都可以看做發(fā)射子波的波源 B．惠更斯原理只能解釋球面波的傳播，不能解釋平面波的傳播 C．若知道某時刻一列波的某個波面的位置，由惠更斯原理就可以確定波的傳播方向 D．惠更斯原理不但可以解釋波的直線傳播，還可以解釋波的反射與折射等相關現(xiàn)象 解析：選AD　惠更斯原理將介質中任一波面上的各點看做發(fā)射子波的波源，可以解釋波傳播中的包括反射、折射在內的傳播規(guī)律，故選項A、D正確；惠更斯原理可以解釋球面波和平面波的傳播，B

20、錯誤；若知道某一時刻一列波的某個波面的位置，還必須知道波速，再利用惠更斯原理得到下一時刻這個波面的位置，才能確定波的傳播方向，C錯誤。 3．觀察者不動，波源迎面而來時(　　) A．波源的波長發(fā)生了改變 B．波源的頻率發(fā)生了改變 C．觀察者接收到的頻率發(fā)生了改變 D．波速發(fā)生了改變 解析：選C　只要波源和觀察者發(fā)生相對運動，就會產生多普勒效應，發(fā)生多普勒效應時，波源的頻率和波長均不發(fā)生變化，只是觀察者接收到頻率發(fā)生了變化，故只有選項C正確。 4．頻率一定的聲源在空氣中向著靜止的接收器勻速運動。以u表示聲源的速度，v表示聲波的速度(u

21、　) A．f增大，v增大 B．f增大，v不變 C．f不變，v增大 D．f減小，v不變 解析：選B　當聲源向著接收器運動的速度增大時，聲源的頻率不變，聲波的傳播速度不變，接收器接收到的頻率增大。故選項B正確。 [課堂小結] [課時跟蹤檢測十] 一、單項選擇題 1．人在室內講話的聲音比在室外空曠處講話聲音要洪亮，是因為(　　) A．室內空氣不流動 B．室內聲音多次反射 C．室內聲音發(fā)生折射 D．室內物體會吸收聲音 解析：選B　在空曠處講話，聲波絕大部分向遠處傳播而一小部分傳入人耳，在室內講話，除有聲波直接傳入耳朵外，向外傳播的聲波被墻等物體反射也傳入耳朵，所

22、以顯得比較洪亮。選項B正確。 2．對于波面和波線的說法中正確的是(　　) A．波面一定是球面(形狀) B．波線一定是平行直線 C．波線有的與波面垂直，有的與波面平行 D．不同波面上的各點振動周期相同 解析：選D　波面可以是球面(形狀)，也可以是平面(形狀)，A錯；波線可以是平行直線，如平面波波線，也可以不是平行直線，如球面波波線，B錯；波線總是與波面垂直，C錯；不同波面上的各點振動周期相同，都等于波源的周期，D對。 3．隨著我國經(jīng)濟的快速增長，旅游事業(yè)迅速發(fā)展，其中回歸大自然的濱海游、生態(tài)游等休閑度假游備受人們的喜愛。一艘汽船以4 m/s的速度在無風河面上航行，船上發(fā)出一聲鳴笛，

23、旅客在3 s后聽到前方懸崖反射回來的聲音，則懸崖離汽船原來位置的距離為(　　) A．258 m B．340 m C．516 m D．680 m 解析：選C　如圖所示，汽船發(fā)出鳴笛聲在B處，旅客聽到回聲位置在A處，即3 s 內汽船前進了A、B間距離l，則聲波經(jīng)過了2l0－l的距離。則v聲t＝2l0－l＝2l0－v船t，得l0＝ m＝516 m。C正確。 4.如圖所示，1、2、3分別代表入射波、反射波、折射波的波線，則(　　) A．2與1的波長、頻率相等，波速不等 B．2與1的波速、頻率相等，波長不等 C．3與1的波速、頻率、波長均相等 D．3與1的頻率相等，波速、波長均不

24、等 解析：選D　波1、2都在介質a中傳播，故反射波的波長、頻率、波速與入射波都應該相等，故A、B錯誤；波1、3是在兩種不同介質中傳播，故折射波的波長、波速與入射波都不等，但頻率相等，故C錯誤，D正確。 5．醫(yī)院有一種先進的檢測技術——彩超，向病人體內發(fā)射頻率已精確掌握的超聲波。超聲波經(jīng)血液反射后被專用儀器接收，測出反射波的頻率變化，就可以知道血液的流速。這一技術主要體現(xiàn)了哪一種物理現(xiàn)象(　　) A．多普勒效應 B．波的衍射 C．波的干涉 D．共振 解析：選A　儀器接收到的波的頻率發(fā)生變化，是因為血液的流動使反射波的波源與接收儀器間距離發(fā)生變化，從而產生了多普勒效應，選項A正確

25、，B、C、D錯誤。 6．小明和小剛每天上學途中都要經(jīng)過一座鐵橋。學習了波的知識之后，小明和小剛想到了一個測量橋長的方法，一人在鐵橋的一端用錘子敲擊一下，另一人在鐵橋的另一端聽傳來的聲音，結果發(fā)現(xiàn)經(jīng)空氣和鐵橋，聲音傳到另一端的時間差為2 s(聲波在空氣中傳播速度v1＝340 m/s，在鋼鐵中的傳播速度為4 900 m/s)，則鐵橋長大約為(　　) A．680 m B．9 800 m C．730.7 m D．無法計算 解析：選C　設鐵橋長為l，由題意可知 －＝2 s，解得l≈730.7 m。故C正確。 二、多項選擇題 7．關于多普勒效應，以下說法正確的有(　　) A．只有機

26、械波才能產生多普勒效應 B．所有的波均能產生多普勒效應 C．產生多普勒效應的原因是波源的頻率發(fā)生了變化 D．產生多普勒效應的原因是觀察者接收到的頻率發(fā)生了變化 解析：選BD　多普勒效應是波動過程共有的特征，產生多普勒效應的原因是觀察者接收到的頻率發(fā)生了變化，而波源的頻率不變，故選項B、D正確，選項A、C錯誤。 8．假如一輛汽車在靜止時喇叭發(fā)出聲音的頻率是300 Hz，在汽車向你駛來又擦身而過的過程中，下列說法正確的是(　　) A．當汽車向你駛來時，聽到喇叭聲音的頻率大于300 Hz B．當汽車向你駛來時，聽到喇叭聲音的頻率小于300 Hz C．當汽車和你擦身而過后，聽到喇叭聲音

27、的頻率大于300 Hz D．當汽車和你擦身而過后，聽到喇叭聲音的頻率小于300 Hz 解析：選AD　當汽車向你駛來時，兩者距離減小，接收到的聲波個數(shù)增多，頻率升高，將大于300 Hz，故A選項正確；當汽車和你擦身而過后，兩者距離變大，接收到的聲波個數(shù)減少，頻率降低，將小于300 Hz，故D選項正確。 9．關于站在火車站臺上的旅客聽到路過的火車鳴笛聲的音調變化情況，以下說法正確的是(　　) A．當火車進站時，鳴笛聲的音調變低 B．當火車進站時，鳴笛聲的音調變高 C．當火車離站時，鳴笛聲的音調變低 D．當火車離站時，鳴笛聲的音調變高 解析：選BC　火車進站時，旅客與火車靠近，聽到的

28、鳴笛聲的頻率變高，音調變高，反之，頻率變低，音調變低，故B、C正確。 10．如圖所示，在原點處做簡諧運動的波源產生的機械波沿x軸正方向傳播，波速v＝400 m/s。為了接收信號，在x＝400 m處放置一接收器A(圖中未標出)。已知t＝0時，波已經(jīng)傳播到x＝40 m，則下列說法中正確的是(　　) A．波源振動的周期為0.05 s B．x＝40 m處的質點在t＝0.5 s時位移最大 C．接收器在t＝1.0 s時才能接收到此波 D．若波源向x軸負方向移動，則接收器接收到的波的頻率將小于20 Hz 解析：選AD　由題圖知，波長λ＝20 m，由波速公式v＝得，波源振動的周期T＝ s＝0.

29、05 s，選項A正確；x＝40 m處的質點在t＝0.5 s時在平衡位置，選項B錯誤；接收器接收到此波的時間t＝ s＝0.9 s，選項C錯誤；由多普勒效應的知識，可判斷選項D正確。 三、非選擇題 11．由波源S發(fā)出的波某一時刻在介質平面中的情形如圖所示，實線為波峰，虛線為波谷。設波源頻率為20 Hz，且不運動，而觀察者在1 s內由A運動到B，觀察者在1 s內接收到多少個完整波？設波速為340 m/s，則要讓觀察者完全接收不到波，他每秒要運動多遠？ 解析：觀察者在單位時間內接收到的完整波的個數(shù)，就等于觀察者接收到的頻率。如果觀察者不動，則1 s內觀察者接收的完整波的個數(shù)應為20個。然而在觀察者從A運動到B的過程中，所能接收到的完整波的個數(shù)正好比不運動時少1個，即他只接收到19個完整波。 要想讓觀察者完全接收不到波，他必須隨同所在的波峰或波谷一起運動并遠離波源。由s＝vt得s＝340×1 m ＝340 m，即觀察者每秒要遠離波源運動340 m。 答案：19個　340 m 11