【學(xué)習(xí)目標(biāo)】1．通過(guò)實(shí)驗(yàn)認(rèn)識(shí)多普勒效應(yīng)。2．能解釋多普勒效應(yīng)產(chǎn)生的原因。3．能用多普勒效應(yīng)解釋有關(guān)問(wèn)題。
1．多普勒效應(yīng)：波源與觀察者互相靠近或者互相遠(yuǎn)離時(shí)，接收到的波的______都會(huì)發(fā)生變化的現(xiàn)象。2．多普勒效應(yīng)產(chǎn)生的原因：(1)當(dāng)波源與觀察者相對(duì)靜止時(shí)，1 s內(nèi)通過(guò)觀察者的波峰(或密部)的數(shù)目是______的，觀察者觀察到的頻率______波源振動(dòng)的頻率。(2)當(dāng)波源與觀察者相向運(yùn)動(dòng)時(shí)，1 s內(nèi)通過(guò)觀察者的波峰(或密部)的數(shù)目______，觀察到的頻率______；反之，當(dāng)波源與觀察者互相遠(yuǎn)離時(shí)，觀察到的頻率______。
1．測(cè)車(chē)輛速度：交通警車(chē)向行進(jìn)中的車(chē)輛發(fā)射頻率已知的超聲波，同時(shí)測(cè)量______________，根據(jù)____________變化的多少就能知道車(chē)輛的速度。2．測(cè)星球速度：測(cè)量星球上某些元素發(fā)出的光波的______。然后與地球上這些元素______時(shí)發(fā)光的頻率對(duì)照，可得星球的速度。3．測(cè)血流速度：向人體內(nèi)發(fā)射__________的超聲波，超聲波被血管中的血流______后又被儀器接收，測(cè)出反射波的__________，就可得血流速度。
『判一判』(1)產(chǎn)生多普勒效應(yīng)時(shí)，波源的振動(dòng)頻率并沒(méi)有發(fā)生變化。(　　)(2)我們?cè)趧?chǎng)聽(tīng)演唱會(huì)時(shí)，聽(tīng)到的聲音頻率與聲源的頻率是不一致的。(　　)(3)人與波源有相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，接收到的頻率一定發(fā)生變化。(　　)(4)只有橫波才能發(fā)生多普勒效應(yīng)。(　　)(5)波源與觀察者相互遠(yuǎn)離時(shí)，觀察者感覺(jué)到的頻率變小。(　　)
『選一選』(2020·江蘇省南通市高二下學(xué)期線上測(cè)試)(多選)如圖所示，男同學(xué)站立不動(dòng)吹口哨，一位女同學(xué)坐在秋千上來(lái)回?cái)[動(dòng)，下列關(guān)于女同學(xué)的感受的說(shuō)法正確的是(　　)A．女同學(xué)從A向B運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，她感覺(jué)哨聲音調(diào)變高B．女同學(xué)從E向D運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，她感覺(jué)哨聲音調(diào)變高C．女同學(xué)在C點(diǎn)向右運(yùn)動(dòng)時(shí)，她感覺(jué)哨聲音調(diào)不變D．女同學(xué)在C點(diǎn)向左運(yùn)動(dòng)時(shí)，她感覺(jué)哨聲音調(diào)變低
解析：女同學(xué)蕩秋千的過(guò)程中，只要她有向右的速度，她都有靠近聲源的趨勢(shì)，根據(jù)多普勒效應(yīng)，她都感到哨聲音調(diào)變高；反之女同學(xué)向左運(yùn)動(dòng)時(shí)，她感到音調(diào)變低。選項(xiàng)A、D正確，B、C錯(cuò)誤。
『想一想』隨著科技的發(fā)展和作戰(zhàn)的需要，現(xiàn)在的戰(zhàn)斗機(jī)飛得越來(lái)越快，有些戰(zhàn)斗機(jī)的速度超過(guò)了聲音在空氣中的傳播速度。假設(shè)某爆炸聲在空氣中的傳播速度為340 m/s，一架戰(zhàn)斗機(jī)正在爆炸點(diǎn)附近遠(yuǎn)離它飛行，要使飛行員聽(tīng)不到爆炸聲，戰(zhàn)斗機(jī)飛行的速度至少多大？答案：要使飛行員恰好聽(tīng)不到爆炸聲，即飛行員正好一個(gè)聲波也接收不到，則他隨戰(zhàn)斗機(jī)運(yùn)動(dòng)的速度應(yīng)與波前進(jìn)的速度一樣，即戰(zhàn)斗機(jī)應(yīng)以340 m/s的速度飛行遠(yuǎn)離爆炸點(diǎn)。
美國(guó)霍普金斯大學(xué)利用多普勒效應(yīng)對(duì)蘇聯(lián)第一顆人造衛(wèi)星進(jìn)行了跟蹤試驗(yàn)?？茖W(xué)家發(fā)現(xiàn)，當(dāng)衛(wèi)星向近地點(diǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)返回的信號(hào)頻率增加，衛(wèi)星向遠(yuǎn)地點(diǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)返回的信號(hào)頻率降低。
(1)波源的頻率由誰(shuí)決定？(2)觀察者接收到的頻率與哪些因素有關(guān)？提示：(1)由波源決定。(2)觀察者接收到的頻率與波源的頻率、波源與觀察者的相對(duì)運(yùn)動(dòng)有關(guān)。
1．波源頻率波源的頻率等于單位時(shí)間內(nèi)波源發(fā)出的完全波的個(gè)數(shù)。2．觀察者接收到的頻率發(fā)生多普勒效應(yīng)時(shí)，波源的頻率并沒(méi)有變化，是接收者接收的頻率(單位時(shí)間內(nèi)接收到的完整波的個(gè)數(shù))發(fā)生變化(大于或小于波源頻率)，原因是存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)。
3．發(fā)生多普勒效應(yīng)的幾種情況
(1)無(wú)論什么情況，發(fā)生多普勒效應(yīng)時(shí)，波源與觀察者肯定有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，二者相互靠近時(shí)，觀察者接收到的頻率變高，相互遠(yuǎn)離時(shí)，接收到的頻率變低。(2)多普勒效應(yīng)的產(chǎn)生不是取決于觀察者距波源多遠(yuǎn)，而是取決于觀察者相對(duì)于波源的運(yùn)動(dòng)速度的大小和方向。
(多選)下列關(guān)于多普勒效應(yīng)的說(shuō)法，正確的是(　　)A．只有聲波才能發(fā)生多普勒效應(yīng)B．當(dāng)觀察者靠近聲源時(shí)，聽(tīng)到聲音的音調(diào)升高，說(shuō)明聲源的頻率升高了C．當(dāng)聲源和觀察者同時(shí)以相同的速度向同一方向運(yùn)動(dòng)時(shí)，不會(huì)發(fā)生多普勒效應(yīng)D．火車(chē)離站時(shí)，站臺(tái)上的旅客聽(tīng)到火車(chē)的汽笛音調(diào)降低
思路引導(dǎo)：①多普勒效應(yīng)是波具有的特征，電磁波和光波也會(huì)發(fā)生多普勒效應(yīng)。②觀測(cè)者向波源靠近時(shí)，波源頻率不變，但觀測(cè)者接收到的頻率增高，即音調(diào)增高；反之，觀測(cè)者與波源遠(yuǎn)離時(shí)，觀測(cè)者接收到的頻率降低，即音調(diào)降低。
解析：多普勒效應(yīng)是波動(dòng)過(guò)程共有的特征，不僅是機(jī)械波，電磁波和光波也會(huì)發(fā)生多普勒效應(yīng)，A項(xiàng)錯(cuò)誤。發(fā)生多普勒效應(yīng)時(shí)，聲源的頻率并沒(méi)有發(fā)生變化，而是觀察者接收到的頻率發(fā)生了變化，B項(xiàng)錯(cuò)誤。當(dāng)波源和觀察者以相同的速度同向運(yùn)動(dòng)時(shí)，兩者之間無(wú)相對(duì)運(yùn)動(dòng)，不會(huì)發(fā)生多普勒效應(yīng)，C項(xiàng)正確?；疖?chē)離站時(shí)，站臺(tái)上的旅客和火車(chē)相互遠(yuǎn)離，聽(tīng)到火車(chē)的汽笛音調(diào)降低，D項(xiàng)正確。
1．(2020·江蘇省揚(yáng)州中學(xué)高二下學(xué)期期中)如圖表示產(chǎn)生機(jī)械波的波源O做勻速運(yùn)動(dòng)的情況下，某一時(shí)刻在介質(zhì)平面中的情形，圖中的圓表示波峰。(1)該圖表示的是(　　)A．干涉現(xiàn)象　　B．衍射現(xiàn)象C．反射現(xiàn)象D．多普勒效應(yīng)
(2)波源正在移向(　　)A．A點(diǎn)　B．B點(diǎn)C．C點(diǎn)D．D點(diǎn)(3)觀察到波的頻率最低的點(diǎn)是(　　)A．A點(diǎn)　B．B點(diǎn)C．C點(diǎn)　D．D點(diǎn)解析：(1)該圖表示的是多普勒效應(yīng)，正確的選項(xiàng)為D。(2)從波長(zhǎng)變化情況來(lái)看，波源正在移向A點(diǎn)。(3)由于波源遠(yuǎn)離B點(diǎn)，所以，觀察到波的頻率最低的點(diǎn)是B點(diǎn)。
醫(yī)院有一種先進(jìn)的檢測(cè)技術(shù)——彩超，向病人體內(nèi)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(zhuān)用儀器接收，測(cè)出反射波的頻率變化，就可以知道血液的流速。這一技術(shù)主要體現(xiàn)了哪一種物理現(xiàn)象？
多普勒效應(yīng)及超聲波的應(yīng)用
提示：儀器接收到的波的頻率發(fā)生變化，是因?yàn)檠旱牧鲃?dòng)使波源與接收儀器間距離發(fā)生變化，從而發(fā)生了多普勒效應(yīng)。
1．多普勒效應(yīng)的應(yīng)用(1)多普勒效應(yīng)測(cè)車(chē)速。(2)醫(yī)用彩色超聲波測(cè)定心臟跳動(dòng)，了解血管血流等情況。(3)電磁波的多普勒效應(yīng)為跟蹤目標(biāo)物(如導(dǎo)彈、云層等)提供了一種簡(jiǎn)單的方法。在軍事、航天、氣象預(yù)報(bào)等領(lǐng)域有了廣泛的應(yīng)用。(4)用多普勒效應(yīng)測(cè)量其他星系向著或遠(yuǎn)離地球運(yùn)動(dòng)的速率。
2．超聲波及其應(yīng)用(1)定義：頻率高于2×104 Hz的聲波。(2)特點(diǎn)：大功率的超聲波幾乎沿直線傳播。(3)應(yīng)用：超聲波洗滌，超聲波碎石，超聲波探測(cè)儀，醫(yī)用彩超等。
公路巡警開(kāi)車(chē)在高速公路上以100 km/h的恒定速度巡查，在同一車(chē)道上巡警車(chē)向前方的一輛轎車(chē)發(fā)出一個(gè)已知頻率的電磁波，如果該電磁波被轎車(chē)反射回來(lái)時(shí)，警車(chē)接收到的電磁波頻率比發(fā)出時(shí)低。(1)此現(xiàn)象屬于(　　)A．波的衍射　　B．波的干涉C．多普勒效應(yīng)D．波的反射(2)若該路段限速為100 km/h，則轎車(chē)是否超速？(3)若轎車(chē)以20 m/s的速度行進(jìn)，反射回的頻率應(yīng)怎樣變化？
思路引導(dǎo)：根據(jù)波源與觀察者相對(duì)距離增大或減小時(shí)，觀察者接收到的頻率發(fā)生變化的現(xiàn)象即多普勒效應(yīng)解答。解析：(1)巡警車(chē)接收到的電波頻率比發(fā)出時(shí)低，此現(xiàn)象為多普勒效應(yīng)。(2)因警車(chē)接收到的頻率低，由多普勒效應(yīng)知警車(chē)與轎車(chē)在相互遠(yuǎn)離，而警車(chē)車(chē)速恒定又在后面，可判斷轎車(chē)車(chē)速比警車(chē)車(chē)速大，故該車(chē)超速。(3)若該車(chē)以20 m/s的速度行進(jìn)時(shí)，此時(shí)警車(chē)與轎車(chē)在相互靠近，由多普勒效應(yīng)知反射回的頻率應(yīng)偏高。答案：(2)超速　(3)偏高
2．(多選)下面哪些應(yīng)用是利用了多普勒效應(yīng)(　　)A．利用地球上接收到遙遠(yuǎn)天體發(fā)出的光波的頻率來(lái)判斷遙遠(yuǎn)天體相對(duì)于地球的運(yùn)動(dòng)速度B．交通警察向行進(jìn)中的汽車(chē)發(fā)射一個(gè)已知頻率的電磁波，波被運(yùn)動(dòng)的汽車(chē)反射回來(lái)，根據(jù)接收到的頻率發(fā)生的變化，就知道汽車(chē)的速度，以便于進(jìn)行交通管理C．鐵路工人用耳貼在鐵軌上可判斷火車(chē)的運(yùn)動(dòng)情況D．有經(jīng)驗(yàn)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(yuǎn)去
解析：凡是波都具有多普勒效應(yīng)，因此利用光波的多普勒效應(yīng)便可以測(cè)定遙遠(yuǎn)星體相對(duì)地球遠(yuǎn)離的速度，A正確；被反射的電磁波，相當(dāng)于一個(gè)運(yùn)動(dòng)的物體發(fā)出的電磁波，其頻率發(fā)生變化，由多普勒效應(yīng)的計(jì)算公式可以求出運(yùn)動(dòng)物體的速度，B正確；鐵路工人是根據(jù)振動(dòng)的強(qiáng)弱而對(duì)列車(chē)的運(yùn)動(dòng)作出判斷的，C錯(cuò)誤；炮彈飛行，與空氣摩擦產(chǎn)生聲波，人耳接收到的頻率與炮彈的相對(duì)運(yùn)動(dòng)方向有關(guān)，D正確。
多普勒效應(yīng)的判斷方法(1)確定研究對(duì)象。(波源與觀察者)(2)確定波源與觀察者是否有相對(duì)運(yùn)動(dòng)。若有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，能發(fā)生多普勒效應(yīng)，否則不發(fā)生。(3)判斷：當(dāng)兩者遠(yuǎn)離時(shí)，觀察者接收到的波的頻率變小，靠近時(shí)觀察者接收到的波的頻率變大，但波源的頻率不變。
某人站在地面上某處，一架飛機(jī)由遠(yuǎn)而近從人的頭頂上方勻速飛過(guò)，則人聽(tīng)到飛機(jī)發(fā)出聲音的頻率(　　)A．越來(lái)越低B．越來(lái)越高　　C．先變高后變低　　D．先變低后變高易錯(cuò)分析：飛機(jī)從人頭頂勻速飛過(guò)，勻速是指飛機(jī)相對(duì)地面，但相對(duì)觀察者的速度是先減小后增大，這需要將速度分解。一些同學(xué)思維簡(jiǎn)單，只考慮到起初是飛機(jī)(聲源)相對(duì)觀察者靠近，飛機(jī)過(guò)了人的正頭頂后，變成了聲源相對(duì)觀察者遠(yuǎn)離，因此認(rèn)為接收的頻率先變高后變低，錯(cuò)選了C項(xiàng)。
解析：當(dāng)飛機(jī)飛近人時(shí)，將飛機(jī)的速度分解，如圖甲所示，飛機(jī)相對(duì)人的速度為v1＝vcs α，α越來(lái)越大，則v1越來(lái)越小，即人聽(tīng)到飛機(jī)聲音的頻率越來(lái)越低，但總是f聽(tīng)>f源。當(dāng)飛機(jī)遠(yuǎn)離人時(shí)，將飛機(jī)的速度分解如圖乙所示，飛機(jī)相對(duì)人的速度v3＝vcs α，α越來(lái)越小，則v3越來(lái)越大，即人聽(tīng)到飛機(jī)聲音的頻率越來(lái)越低，且都是f聽(tīng)< f源，故在飛機(jī)飛過(guò)頭頂?shù)倪^(guò)程中人聽(tīng)到的聲音頻率一直是越來(lái)越低，即A項(xiàng)正確。具體地說(shuō)：當(dāng)飛機(jī)到達(dá)頭頂正上方之前，f聽(tīng)>f源；恰好在人頭頂正上方時(shí)，f聽(tīng)＝f源；越過(guò)頭頂正上方之后，f聽(tīng)< f源。
1．(2020·河南省南陽(yáng)市高二下學(xué)期3月第一次聯(lián)考)有一測(cè)速雷達(dá)，發(fā)射電磁波的頻率為f1，用它來(lái)測(cè)量一迎面開(kāi)來(lái)的汽車(chē)的車(chē)速，設(shè)該雷達(dá)接收到的從汽車(chē)反射回來(lái)的反射波的頻率為f2，則(　　)A．f1>f2B．f1＝f2C．f1

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