金版教程高中物理选修34第十二章第5节.docx

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金版教程高中物理选修34第十二章第5节

第5节　多普勒效应

1．了解多普勒效应，初步理解多普勒效应的产生原因。

2．能运用多普勒效应解释一些物理现象，了解多普勒效应的应用。

一、多普勒效应

当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的现象。

二、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

一定的，观察者观测到的频率

等于波源振动的频率。

2．当波源与观察者相互靠近时，1s内通过观察者的波峰（或密部）的数目

增加，观测到的频率

增加；反之，当波源与观察者互相远离时，观测到的频率

变小。

三、多普勒效应的应用

1．测车辆速度：

交通警察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，根据反射波频率

变化的多少就能知道车辆的速度。

2．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，就可以算出星球靠近或远离我们的速度。

3．测血流速度：

医生向人体内发射

频率已知的超声波，超声波被血管中的血流

反射后又被仪器接收，测出反射波的

频率变化，就能知道血流的速度。

判一判

（1）发生多普勒效应时，波源的频率没有发生变化。

（　　）

（2）当波源和观察者向同一个方向运动时，一定发生多普勒效应。

（　　）

（3）只有横波才能发生多普勒效应。

（　　）

（4）只有声波才能发生多普勒效应。

（　　）

（5）当发生多普勒效应时，观察者接收到的波的频率可能增大，也可能减小。

（　　）

提示：

（1）√　

（2）×　（3）×　（4）×　（5）√

想一想

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，声波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。

课堂任务　多普勒效应的理解及应用

1．波源频率、接收频率和音调

（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时，观察者接收到的波的频率等于波源的频率。

②波源和观察者有相对运动时，观察者在单位时间内接收到的完全波的个数发生变化，即接收到的波的频率发生变化。

波源与观察者如果相互靠近，观察者接收到的波的频率增大；二者如果相互远离，观察者接收到的波的频率减小。

（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声波的频率，即单位时间内接收到的声波的完全波个数决定的。

2．多普勒效应成因分析

（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

f波源＝f观察者

波源S不动，观察者A运动，由A→B或A→C

若靠近波源，由A→B，则f波源＜f观察者；若远离波源，由A→C，则f波源＞f观察者

观察者A不动，波源S运动，由S→S2

f波源＜f观察者

（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。

3．多普勒效应的应用

（1）测车辆速度：

交通警察向行进中的车辆发射一个已知频率的超声波，波被运动的车辆反射回来时，交通警察根据反射波频率变化的多少可知车辆的速度。

（2）测天体速度：

根据光波的多普勒效应，在地球上接收到的遥远天体上某些元素发出的光波频率，与地球上这些元素静止时发光的频率对照，可以判断遥远天体相对地球的运动速度。

（3）医用“彩超”：

医生向人体发射频率已知的超声波，超声波被血管中的血流反射后又被仪器接收。

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）听音辨向：

可根据火车汽笛的音调的变化判断火车是进站还是出站；根据炮弹飞行的尖叫声判断炮弹飞行的方向等。

例　公路巡警车在高速公路上以100km/h的恒定速度巡查，巡警车向前方在同一车道上的一辆轿车发出一束已知频率的电磁波，结果该电磁波被此辆轿车反射回来时，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，反射回的电磁波频率应怎样变化？

（1）多普勒效应的产生原因是什么？

提示：

波源与观察者之间发生了相对运动，导致二者间距改变。

（2）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：

若接收频率变小，说明波源和观察者距离增大。

[规范解答]　

（1）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，故选C。

（2）因巡警车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电磁波频率应变大。

[完美答案]　

（1）C　

（2）超速　（3）变大

1.多普勒效应易错注意

（1）发生多普勒效应时，接收到的波的频率发生变化，但波源的频率并没有变化。

（2）是否发生多普勒效应取决于观察者与波源是否存在相互靠近或相互远离。

波速只取决于介质，与是否发生多普勒效应无关。

（3）多普勒效应是波共有的特征，机械波、电磁波或光波都会发生多普勒效应。

2.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互靠近或相互远离。

若有相互靠近或相互远离，则发生多普勒效应，否则不会发生。

（3）判断：

当两者相互远离时，观察者接收到的波的频率变小；当两者相互靠近时，观察者接收到的波的频率变大，但波源的频率不变。

　如图所示，O是一个声波的波源，发出的一系列声波为如图所示的一组圆面，A、B是两个观察者的位置，则下列叙述正确的是（　　）

A．波源正向A点移动，A处听到的音调较高

B．波源正向A点移动，B处听到的音调较高

C．波源正向B点移动，A处听到的音调较高

D．波源正向B点移动，B处听到的音调较高

答案　A

解析　由图可看出，靠A这一侧波的波长变短，靠B这一侧波长变长，故波源正向A运动。

A处接收到的波的波长变短，但波速不变，从而使接收到的波的频率变大，因而A处听到的音调变高，同理，B处听到的音调变低，故A处听到的音调比B处较高。

故A正确。

　（多选）如图所示，在原点处做简谐运动的波源产生的机械波沿x轴正方向传播，波速v＝400m/s。

为了接收信号，在x＝400m处设有一接收器A（图中未标出）。

已知t＝0时，波已经传播到x＝40m处，则下列说法中不正确的是（　　）

A．波源振动的周期为0.05s

B．x＝40m处的质点在t＝0.5s时位移最大

C．接收器在t＝1.0s时才能接收到此波

D．若波源向x轴负方向移动，则接收器接收到的波的频率将小于20Hz

答案　BC

解析　波源振动的周期T＝

＝

s＝0.05s，频率f＝

＝20Hz，A正确；x＝40m处的质点在t＝0.5s＝10T时仍在平衡位置，B错误；接收器接收到此波的时间t＝

s＝0.9s，C错误；若波源向x轴负方向移动，则波源远离接收器，根据多普勒效应，接收器接收到的波的频率将小于20Hz，D正确。

A组：

合格性水平训练

1．（多普勒效应的理解）关于多普勒效应，下列说法中不正确的是（　　）

A．发生多普勒效应时波源的频率保持不变

B．要发生多普勒效应，波源和观察者间必须有相对运动

C．只有声波会发生多普勒效应

D．机械波、电磁波和光波都会发生多普勒效应

答案　C

解析　多普勒效应是一种现象，发生多普勒效应时，波源的频率没有发生改变，波源与观察者之间相互靠近或相互远离时，观察者接收到的波的频率发生变化，即发生多普勒效应，而且机械波、电磁波和光波都会发生多普勒效应。

故C错误，A、B、D正确。

2．（多普勒效应的应用）医院有一种先进的检测技术——彩超，就是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，就可知道血液的流速。

这一技术主要利用了（　　）

A．波的干涉

B．多普勒效应

C．波的叠加

D．波的衍射

答案　B

解析　由题意可知，该仪器是测量反射波的频率变化，而波的干涉、波的衍射及波的叠加都不会产生频率的变化，而多普勒效应中由于波源和接收者之间的距离的变化而使接收到的频率变化，故该技术利用的是多普勒效应，故选B。

3．（综合）分析下列物理现象：

（1）夏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）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

解析　

（1）夏天里在一次闪电过后，有时雷声轰鸣不绝，是由于声音在云层间来回传播，这是声波的反射现象；

（2）“闻其声而不见其人”，听到声音，却看不见人，这是声音的衍射现象；（3）围绕振动的音叉转一圈会听到忽强忽弱的声音，音叉发出两个频率相同的声波相互叠加，从而出现振动加强区与减弱区，这是声波的干涉现象；（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，音调变高就是频率变高，因此这是多普勒效应现象。

A正确。

4．（多普勒效应的应用）（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，因此可以利用光波的多普勒效应测定遥远天体相对地球的运动速度，故A正确；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时，交通警察接收到的波的频率会发生变化，根据频率的变化可知汽车的速度，利用了波的多普勒效应，故B正确；铁路工人用耳贴在铁轨上是根据振动的强弱而对列车的运动情况做出判断，利用了声波在固体中传播得更快，故C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，利用了波的多普勒效应，故D正确。

5．（多普勒效应的实例）（多选）火车上有一个声源发出频率一定的音乐。

当火车静止，观察者也静止时，观察者听到并记住了这个音乐的音调。

以下情况中，观察者听到这个音乐的音调比原来低的是（　　）

A．观察者静止，火车向他驶来

B．火车静止，观察者乘汽车向着火车运动

C．观察者静止，火车离他远去

D．火车静止，观察者乘汽车远离火车运动

答案　CD

解析　根据多普勒效应可知，当波源和观察者间距离变小时，观察者接收到的波的频率一定比波源频率高；当波源和观察者间距离变大时，观察者接收到的波的频率一定比波源频率低。

观察者听到这个音乐的音调比原来低，即接收到的声波频率降低，说明观察者和火车之间的距离在变大，所以A、B错误，C、D正确。

6．（多普勒效应的理解）（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

答案　AD

解析　女同学荡秋千的过程中，她向右运动时，她与波源之间的距离变短，根据多普勒效应，她会感到哨声音调变高；反之女同学向左运动时，她会感到哨声音调变低，A、D正确，B、C错误。

7．（综合）（多选）有两个静止的声源，分别发出声波1和声波2，在同一空间的空气中传播。

如图所示为某时刻这两列波的波动图象。

则下列说法正确的是（　　）

A．声波1的波速比声波2的波速大

B．相对于同一障碍物，波1比波2的衍射现象更明显

C．这两列波相遇时，不会产生干涉现象

D．远离两个声源运动的观察者，听到这两列波的频率均比从声源发出的频率大

答案　BC

解析　两列声波在同一空间的空气中传播，波速大小相同，故A错误。

由图可知声波1和声波2波长之比为λ1∶λ2＝2∶1，波长越长，相对于同一障碍物衍射现象越明显，故B正确。

由v＝λf得到两波频率之比为f1∶f2＝1∶2；因两列波发生干涉的必要条件之一是频率相同，所以这两列波相遇时，不会产生干涉现象，故C正确。

观察者远离波源时，听到的声波频率比从声源发出的低，故D错误。

B组：

等级性水平训练

8．（多普勒效应的理解）频率一定的声源在空气中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（u＜v），f表示接收器接收到的频率。

若u增大，则（　　）

A．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

答案　B

解析　由于声波的速度只由介质决定，故声波的速度v不变，根据多普勒效应可知，当声源接近接收器的速度变大时，接收器接收到的频率变高，f增大，故B正确。

9．（多普勒效应的理解）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的发射频率为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．墙壁接收到的超声脉冲频率等于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

答案　C

解析　由于蝙蝠向墙壁靠近，所以墙壁接收的超声脉冲频率大于39000Hz，A错误；墙壁反射超声脉冲时，蝙蝠继续向墙壁运动，故蝙蝠接收到墙壁反射回来的超声脉冲频率大于墙壁接收的频率，则一定大于39000Hz，所以C正确，B、D错误。

10．（多普勒效应的理解）（多选）如图，将上下振动的振针水平移动，移动过程中在水面形成了如图所示的水波图形，下列说法正确的是（　　）

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，在其前进方向的反方向的水波变得稀疏，因此振针向右移动；由于声源远离在A处的观察者，观察者接收到的水波波长变长，频率变小，故A、C正确，B、D错误。

11．（多普勒效应的判断）平直公路上，汽车正在匀速远离，用多普勒测速仪向其发出频率为f0的超声波，被汽车反射回来的超声波的频率随汽车运动位移变化的图象，正确的是（　　）

答案　D

解析　汽车正在匀速远离，速度恒定，接收到的反射波的频率也是恒定的。

由于是远离，汽车反射波的频率应该小于发出波的频率，所以D正确。

12．（综合）如图所示，沿x轴正方向传播的一列横波在某时刻的波形图为一正弦曲线，其波速为200m/s，下列说法正确的是（　　）

A．从图示时刻开始，质点b比质点a先到平衡位置

B．从图示时刻开始，经0.01s质点a通过的路程为0.2m

C．若该波波源从O点沿x轴正向运动，则在x＝2000m处接收到的波的频率将小于50Hz

D．若该波传播中遇到宽约3m的障碍物，能发生明显的衍射现象

答案　D

解析　由波的传播方向可知质点b向y轴负方向运动，远离平衡位置，质点a向平衡位置运动，质点a先到平衡位置，A错误；由于λ＝4m，宽约3m的障碍物比波长小，能发生明显的衍射现象，D正确；根据T＝

得T＝0.02s，f＝50Hz，经0.01s质点a通过的路程为0.4m，B错误；波源沿x轴正向运动，与观察者相互靠近，观察者接收到的波的频率将大于50Hz，C错误。

13．（综合）如图为由波源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，则观察者在这1s内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？

答案　19个　340m

解析　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波的频率。

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，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。