高中物理新教材同步选择性必修第一册 主题2 第Ⅱ部分 5~6　多普勒效应、惠更斯原理

5 多普勒效应 6 惠更斯原理 [学科素养与目标要求] 物理观念：1.了解多普勒效应.2.知道什么是波面和波线，了解惠更斯原理.3.知道波传播到两 种介质交界面时会发生反射、折射现象. 科学思维：1.能运用多普勒效应解释一些物理现象.2.能用惠更斯原理解释反射、折射现象. 科学探究：进行演示实验“蜂鸣器音调的变化”，让学生实际感受一下音调随波源与观察者 距离的变化而发生的变化. 科学态度与责任：在实验过程中很好地保持交流与合作，敢于发表自己对探究过程与实验结 论的理解或想法，并且能正确表达自己的观点. 一、多普勒效应 1.多普勒效应 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. 2.多普勒效应产生的原因 (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(填“增加”或 “减小”)，观察到的频率增加(填“增加”或“减小”)；反之，当波源与观察者互相远离时， 观察到的频率减小(填“增加”或“减小”). 3.应用 (1)测车辆速度. (2)测星球速度. (3)测血流速度. 二、波的反射和折射 1.反射现象：波遇到介质界面会返回原介质继续传播的现象. 2.折射现象：波从一种介质进入另一种介质时，波的传播方向发生改变的现象. 1.判断下列说法的正误. (1)发生多普勒效应时，波源的频率发生了变化.( × ) (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)波发生反射和折射时波的频率都不变，但波长、波速均发生变化.( × ) 2.如图1 表示产生机械波的波源S 做匀速运动的情况，图中的圆表示波峰.该图表示________ 现象，观察到波的频率最高和最低的位置分别是________、________. 图1 答案 多普勒效应 A B 一、多普勒效应 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？(2)实际上警笛的音调会变化吗？(3)听 到音调发生变化的原因是什么？ 答案 (1)警车驶来时，音调变高；警车远离时，音调变低.(2)实际上警笛的音调不会变化.(3) 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. 多普勒效应产生的原因分析 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，如图所示 f 观察者＝f 波源音调不变 波源S 不动，观察者A 运 动，由A→B 或A→C，如图 所示 若靠近波源，由A→B，则f 观察者>f 波 源，音调变高；若远离波源，由 A→C，则f 观察者<f 波源，音调变低 观察者A 不动，波源S 运 动，由S→S′，如图所示 f 观察者>f 波源音调变高 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， 且两者间距发生变化. 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，你听到的汽笛声音调变高 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 者间距发生变化才能发生多普勒效应，故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，故C 错 误；所有波都能发生多普勒效应，故D 错误. [学科素养] 例1 判断是不是发生了多普勒效应.首先确定波源与观察者间距是否发生了变化. 当两者远离时，观察者接收到的波的频率变小，靠近时，观察者接收到的波的频率变大，但 波源的频率不变.意在考查学生灵活运用相关知识解决实际问题的能力，体现了“科学思 维”的学科素养. 针对训练 (2017·盐城高二检测)装有多普勒测速仪的汽车测速监视器安装在公路旁，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.当某汽车向测速监视 器靠近时，被该汽车反射回来的反射波与测速监视器发出的超声波相比( ) A.频率不变，波速变小 B.波速不变，频率变小 C.频率不变，波速变大 D.波速不变，频率变大 答案 D 解析 波速由介质决定，所以被该汽车反射回来的反射波与测速监视器发出的超声波相比波 速不变，根据声音的多普勒效应，声源和观察者靠近时接收频率变高，所以被该汽车反射回 来的反射波与发出的超声波相比频率变大，故D 正确，A、B、C 错误. 二、波的反射和折射及应用 1.波向前传播在两介质的界面上同时发生了反射现象和折射现象，如图2 和图3 所示，一些 物理量相应地发生变化，比较如下： 图2 图3 波现象 比较项 波的反射 波的折射 传播方向 改变i＝i′ 改变r≠i 频率f 不变 不变 波速v 不变 改变 波长λ 不变 改变 2.说明 (1)波的频率是由波源决定的，介质中各个质点的振动都是受迫振动，因此不论是反射还是 折射，波的频率是不改变的. (2)波速是由介质决定的，波反射时是在同一介质中传播，因此波速不变，波折射时是在不 同介质中传播，因此波速改变. (3)由v＝λf 知，波长是由频率和波速共同决定的.在波的反射中，由于波的频率和波速均不 变，根据公式λ＝可知波长不变；在波的折射中，当进入新的介质中波速增大时，由λ＝可 知波长变大；反之变小. 例2 图4 中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、波长均相等 D.3 与1 的频率相等，波速、波长均不等 答案 D 解析 波线1、2 都在介质a 中传播，故1、2 的频率、波速、波长均相等，A、B 错；波线 1、3 是在两种不同介质中传播，波速不同，但波源没变，因而频率相等，由λ＝得波长不同， 故C 错，D 对. 例3 某测量员利用回声测距，他站在两平行墙壁间某一位置鸣枪，经过1 s 第一次听到回 声，又经过0.5 s 再次听到回声，已知声速为340 m/s，则两墙壁间的距离为多少？ 答案 425 m 解析 设两墙壁间的距离为s，测量员离较近的墙壁的距离为x， 则他离较远的墙壁的距离为s－x， 第一次听到回声时，2x＝vt1 第二次听到回声时，2(s－x)＝v(t1＋Δt) 其中Δt＝0.5 s，t1＝1 s，代入数据得：s＝425 m. 回声测距的三种情况 1.当声源不动时，声波遇到了障碍物后会返回继续传播，反射波与入射波在同一介质中传播 速度相同，因此，入射波和反射波在传播距离一样的情况下用的时间相等，设经时间t 听到 回声，则声源距障碍物的距离为s＝v 声·. 2.当声源以速度v 向静止的障碍物运动或障碍物以速度v 向静止的声源运动时，声源发声时 障碍物到声源的距离为s＝(v 声＋v)·. 3.当声源以速度v 远离静止的障碍物或障碍物以速度v 远离静止的声源时，声源发声时障碍 物到声源的距离为s＝(v 声－v)·. 1.(对多普勒效应的理解)(多选)一频率为600 Hz 的声源以20 rad/s 的角速度沿一半径为0.80 m 的圆周做匀速圆周运动，一观察者站在离圆心很远的P 点且相对于圆心静止，如图5 所示， 下列判断正确的是( ) 图5 A.观察者接收到声源在A 点发出声音的频率大于600 Hz B.观察者接收到声源在B 点发出声音的频率等于600 Hz C.观察者接收到声源在C 点发出声音的频率等于600 Hz D.观察者接收到声源在D 点发出声音的频率小于600 Hz 答案 AB 2.(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啸声判断飞行炮弹是接近还是远去 答案 ABD 3.(对波的现象的综合认识)下列物理现象：(1)在春天里一次闪电过后，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 解析 在春天里一次闪电过后，雷声轰鸣不绝，属于声波的反射；“闻其声而不见其人”属 于声波的衍射；学生围绕振动的音叉转一圈会听到忽强忽弱的声音属于声波的干涉；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属于多普勒效应. 4.(波的反射和折射)一列声波在介质Ⅰ中的波长为0.2 m.当该声波从介质Ⅰ中以某一角度传 入介质Ⅱ中时，波长变为0.6 m，如图6 所示，若介质Ⅰ中的声速是340 m/s.求： 图6 (1)该声波在介质Ⅱ中传播时的频率； (2)该声波在介质Ⅱ中传播的速度； (3)若声波垂直进入介质Ⅱ，经0.4 s 返回介质Ⅰ，则介质Ⅱ的深度为多少？ 答案 (1)1 700 Hz (2)1 020 m/s (3)204 m 解析 (1)声波在介质Ⅰ中传播时，由v＝λf 得： 介质Ⅰ中频率f＝＝ Hz＝1 700 Hz. 由于声波在不同介质中传播时，频率不变，所以声波在介质Ⅱ中传播时，频率为1 700 Hz. (2)由v＝λf 得声波在介质Ⅱ中的传播速度为v2＝λ2f＝0.6×1 700 m/s＝1 020 m/s. (3)声波经＝0.2 s 传至介质Ⅱ底部，故介质Ⅱ的深度h＝v2·＝1 020×0.2 m＝204 m. 一、选择题 考点一 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；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递的问题，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)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降低的是( ) 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，观察者接收到的频率一定比波源 频率高.当波源和观察者间距离变大，观察者接收到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降低，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. 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，接收到的水波频率比振针的振动频率小 D.在A 处的观察者，接收到的水波频率比振针的振动频率大 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比振针的振动频率小， 故A、C 正确. 4.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，所以选项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.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v 不变，根据多普勒效应可知，当声源接近接收器 时接收到的频率变高，f 增大，故B 项正确. 考点二 波的反射与折射 7.关于波的反射与折射，下列说法正确的是( ) A.入射波的波长一定等于反射波的波长，其频率不变 B.入射波的波长一定小于反射波的波长，其频率不变 C.入射波的波长一定大于折射波的波长，其频率不变 D.入射波的波长一定小于折射波的波长，其频率不变 答案 A 解析 入射波与反射波在同种介质中传播，波速相同，频率由波源决定，频率相同，由v＝ λf 知波长相同，选项A 正确，B 错误；因不知介质情况，入射波与折射波波长无法比较，选 项C、D 错误. 8.夏天听到雷声隆隆不绝，是由于( ) A.声波在云层多次反射造成的 B.声波透进云层发生折射造成的 C.云层之间发生多次放电造成的 D.以上说法都不对 答案 A 解析 雷声隆隆不绝，我们好像听到了多个雷声，实际是声波在云层中多次反射，传到人耳 中有时间间隔造成的. 9.(多选)以下关于波的认识，正确的是( ) A.潜艇利用声呐探测周围物体的分布情况，用的是波的反射原理 B.隐形飞机怪异的外形及表面涂特殊隐形物质，是为了减少波的反射，从而达到隐形的目的 C.雷达的工作原理是利用波的干涉 D.水波从深水区传到浅水区改变传播方向的现象，是波的折射现象 答案 ABD 解析 潜艇探测周围物体利用了反射原理，A 对；隐形飞机可以减少波的反射，B 对；雷达 工作原理利用了波的反射，C 错；水波的传播方向发生变化，属于波的折射，D 对. 10.对于波长为100 m 的声波，下列说法正确的是( ) A.在同一介质中，比波长为20 m 的声波传播快 B.在空气中的频率比在水中大 C.声波能发生折射，但折射后频率发生变化 D.声波能发生反射，但反射后波速不变 答案 D 解析 机械波的传播速度由介质决定，波的频率由波源决定，与介质无关，所以折射后，波 进入另一种介质，传播速度发生变化，反射后回到原来的介质，传播速度不变，故D 选项正 确. 二、非选择题 11.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波，如果该波被轿车反射回来时，巡警车接收到的波的频率比 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 的波的频率应偏高. 12.利用超声波可以探测鱼群的位置.在一只装有超声波发射和接收装置的渔船上，向选定的 方向发射出频率f＝5.8×104 Hz 的超声波后，经过时间t＝0.64 s 接收到从鱼群反射回来的反 射波.已知该超声波在水中的波长λ＝2.5 cm，求鱼群到渔船的距离.(鱼群和渔船静止不动) 答案 464 m 解析 所发射的超声波在水中的传播速度为：v＝λf＝2.5×10－2×5.8×104 m/s＝1 450 m/s， 超声波往返的路程为s＝vt＝1 450×0.64 m＝928 m，渔船到鱼群的距离为：x＝＝464 m. 13.一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大小. 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.