2017-2018學(xué)年高中物理 第十二章 機械波 第5、6節(jié) 多普勒效應(yīng) 惠更斯原理教學(xué)案 新人教版選修3-4

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1、第5、6節(jié) 多普勒效應(yīng)_惠更斯原理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，觀察者接收到的波的頻率都會發(fā)生變化的現(xiàn)象。2波源與觀察者如果相互靠近，觀察者接收到的頻率增大，二者如果遠(yuǎn)離，觀察者接收到的頻率減小。3利用多普勒效應(yīng)可以測車輛速度、星球速度、血流速度等。4惠更斯原理：介質(zhì)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(jìn)方向的包絡(luò)面就是新的波面。一、多普勒效應(yīng)1多普勒效應(yīng)(1)音調(diào)：音調(diào)由頻率決定，頻率高則音調(diào)高，頻率低則音調(diào)低。(2)多普勒效應(yīng)：波源與觀察者互相靠近或者互相遠(yuǎn)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(yīng)產(chǎn)生的原因(1)波源

2、與觀察者相對靜止時，1 s內(nèi)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(dāng)波源與觀察者相互靠近時，1 s內(nèi)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(dāng)波源與觀察者互相遠(yuǎn)離時，觀察到的頻率變小。二、多普勒效應(yīng)的應(yīng)用1測車輛速度：交警向行進(jìn)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(nèi)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，測出反射波的頻

3、率變化就可得血流速度。三、惠更斯原理1波面與波線(1)波面和波線的概念：波面：波源發(fā)出的波，向四周傳開，波峰組成了一個個圓，波谷也組成一個個圓，振動狀態(tài)相同的點都組成了一個個圓，這些圓叫作一個個波面。波線：指與波面垂直的那些線，代表了波的傳播方向。如圖1251所示。圖1251(2)波的分類：球面波：由空間一點發(fā)出的波，它的波面是以波源為球心的一個個球面，波線就是這些球面的半徑。平面波：指波面是平面的波。2惠更斯原理(1)內(nèi)容：介質(zhì)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(jìn)方向的包絡(luò)面就是新的波面。(2)應(yīng)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

4、用惠更斯原理可以得到下一時刻這個波面的位置，從而確定波的傳播方向。利用惠更斯原理只能解釋衍射現(xiàn)象中波的傳播方向，不能解釋波的強度。無法說明衍射現(xiàn)象與狹縫或障礙物大小的關(guān)系。3波的反射與折射(1)反射現(xiàn)象：波遇到介質(zhì)界面會返回來繼續(xù)傳播的現(xiàn)象。(2)折射現(xiàn)象：波從一種介質(zhì)射入另一種介質(zhì)時，波的傳播方向發(fā)生改變的現(xiàn)象。 1自主思考判一判(1)發(fā)生多普勒效應(yīng)時，波源的頻率沒有發(fā)生變化。()(2)當(dāng)波源和觀察者向同一個方向運動時，一定發(fā)生多普勒效應(yīng)。()(3)只有橫波才能發(fā)生多普勒效應(yīng)。()(4)波面一定是平面。()(5)波的傳播方向與波面平行。()(6)用惠更斯原理能夠解釋波的衍射現(xiàn)象與障礙物大小的

5、關(guān)系。()2合作探究議一議(1)炮彈由遠(yuǎn)處飛來從頭頂呼嘯而過的整個過程中，我們所聽到的音調(diào)會發(fā)生怎樣的變化？為什么？提示：波源與觀察者距離的變化會引起接收頻率的變化，頻率的變化會引起音調(diào)的變化，由于炮彈離我們先變近后變遠(yuǎn)，所以音調(diào)先變高后變低。(2)人們聽不清對方說話時，除了讓一只耳朵轉(zhuǎn)向?qū)Ψ剑€習(xí)慣性地把同側(cè)的手附在耳旁，這樣做是利用聲波的什么特點提高耳朵的接收能力？圖1252提示：在耳郭原有形狀、面積的基礎(chǔ)上增加一個手的面積是為了增加波的反射來提高耳朵的接收能力。對多普勒效應(yīng)的理解1波源頻率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(nèi)完成的全振動的次數(shù)。因此

6、波源的頻率又等于單位時間內(nèi)波源發(fā)出的完全波的個數(shù)。2接收頻率(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(nèi)接收到的完全波的個數(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(yuǎn)離，觀察者接收到的頻率減小。3音調(diào)音調(diào)由頻率決定，頻率高則音調(diào)高，頻率低則音調(diào)低。觀察者聽到的聲音的音調(diào)，是由觀察者接收到的頻率，即單位時間內(nèi)接收到的完全波的個數(shù)決定的。典例(多選)假如一輛汽車在靜止時喇叭發(fā)出聲音的頻率是300 Hz，在汽車向觀察者駛來又擦身而過的過程中，下列說法正確的是()A當(dāng)汽車向觀察者

7、駛來時，聽到喇叭聲音的頻率大于300 HzB當(dāng)汽車向觀察者駛來時，聽到喇叭聲音的頻率小于300 HzC當(dāng)汽車和觀察者擦身而過后，聽到喇叭聲音的頻率大于300 HzD當(dāng)汽車和觀察者擦身而過后，聽到喇叭聲音的頻率小于300 Hz思路點撥(1)當(dāng)觀察者與波源的距離減小時，觀察者接收到的頻率變大。(2)當(dāng)觀察者與波源的距離增大時，觀察者接收到的頻率變小。解析當(dāng)汽車向觀察者駛來時，兩者距離減小，單位時間內(nèi)觀察者接收的聲波個數(shù)增多，頻率升高，將大于300 Hz，故A選項正確；當(dāng)汽車和觀察者擦身而過后，兩者距離變大，單位時間內(nèi)觀察者接收的聲波個數(shù)減少，頻率降低，將小于300 Hz，故D選項正確。答案AD觀察

8、者接收到的頻率的判斷(1)聲音的音調(diào)取決于頻率，頻率高則音調(diào)高，頻率低則音調(diào)低。(2)當(dāng)波源與觀察者相互靠近時，觀察者接收到的頻率大于波源頻率，音調(diào)變高；反之，觀察者接收到的頻率小于波源頻率，音調(diào)變低。 1關(guān)于多普勒效應(yīng)，以下說法正確的有()A只有機械波才能產(chǎn)生多普勒效應(yīng)B當(dāng)波源和觀察者都運動時就產(chǎn)生多普勒效應(yīng)C產(chǎn)生多普勒效應(yīng)的原因是波源的頻率發(fā)生了變化D產(chǎn)生多普勒效應(yīng)的原因是觀察者接收到的頻率發(fā)生了變化解析：選D多普勒效應(yīng)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(yīng)。產(chǎn)生多普勒效應(yīng)的原因是波源和觀察者有相對運動，導(dǎo)致觀察者接收到的波的頻率發(fā)生了變化，而波源的頻率不變。

9、故選項D正確，A、B、C錯誤。2(多選)下列哪些現(xiàn)象是多普勒效應(yīng)()A遠(yuǎn)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(diào)變高，遠(yuǎn)離你而去時，音調(diào)變低D大風(fēng)中，遠(yuǎn)處人的說話聲時強時弱解析：選BC聲波音調(diào)的高低由其頻率決定，據(jù)多普勒效應(yīng)，當(dāng)聲源與觀察者發(fā)生相對運動時，觀察者聽到的音調(diào)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(diào)不一定變化，A、D項不是由多普勒效應(yīng)造成的，故選擇B、C。3(多選)一漁船向魚群發(fā)出超聲波，若魚群正向漁船靠近，則被魚群反射回來的超聲波與發(fā)出的超聲波相比()。A波速變大B波速不變C頻率變高 D頻率不變解析：選

10、BC漁船與魚群發(fā)生相對運動，被魚群反射回來的超聲波的速度大小不變；由多普勒效應(yīng)知，反射回來的超聲波的頻率變高，故選項B、C正確。波的反射和折射1波的反射的應(yīng)用(1)回聲測距：當(dāng)聲源不動時，聲波遇到了靜止障礙物會被反射回來繼續(xù)傳播，由于反射波與入射波在同一介質(zhì)中傳播速度相同，因此，入射波和反射波在傳播距離一樣的情況下，用的時間相等。設(shè)經(jīng)過時間t聽到回聲，則聲源距障礙物的距離為sv聲。當(dāng)聲源以速度v向靜止的障礙物運動或障礙物以速度v向靜止的聲源運動時，聲源發(fā)聲時障礙物到聲源的距離為s(v聲v)。當(dāng)聲源以速度v遠(yuǎn)離靜止的障礙物或障礙物以速度v遠(yuǎn)離靜止的聲源時，聲源發(fā)聲時障礙物到聲源的距離為s(v聲v

11、)。(2)超聲波定位：蝙蝠、海豚能發(fā)出超聲波。超聲波遇到障礙物或捕食目標(biāo)時會被反射回來。蝙蝠、海豚就是根據(jù)接收到的反射回來的超聲波來確定障礙物或食物的位置，從而確定飛行或游動方向。2波的反射與折射的對比(1)對應(yīng)物理量的變化 波現(xiàn)象比較項 波的反射波的折射傳播方向改變ii改變ri頻率f不變不變波速v不變改變波長不變改變(2)頻率、波速和波長的決定因素頻率f由波源決定，故無論是反射波的頻率還是折射波的頻率都與入射波的頻率，即波源的振動頻率相同。波速v由介質(zhì)決定，因反射波與入射波在同一介質(zhì)中傳播，故波速不變，而折射波與入射波在不同介質(zhì)中傳播，所以波速變化。據(jù)vf知，波長與v及f有關(guān)，即與介質(zhì)和波源

12、有關(guān)，反射波與入射波在同一介質(zhì)中波速相同，頻率相同，故波長相同。折射波與入射波在不同介質(zhì)中傳播，v不同，f相同，故不同。1(多選)下列說法中正確的是()A入射波的波長和反射波的波長相等B入射波的波長大于折射波的波長C入射波的波長小于折射波的波長D入射波和折射波頻率相同解析：選AD機械波在發(fā)生折射時，波的頻率不變，但波速和波長都發(fā)生變化，但因介質(zhì)不確定，無法確定入射波和折射波的波長大小關(guān)系，故B、C錯誤，D正確；因入射波和反射波在同一介質(zhì)中，波速和頻率均相同，因此，入射波的波長和反射波的波長相等，A正確。2(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

13、，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)生反射時是在同一介質(zhì)中，頻率、波長、波速均不變，選項A錯誤，B正確；波發(fā)生折射時，介質(zhì)改變，故波速發(fā)生變化，但頻率由波源決定，波的頻率不變，由vf可知波長也發(fā)生變化，選項C正確，D錯誤。3.如圖1253所示，1、2、3分別代表入射波、反射波、折射波的波線，則() 圖1253A2與1的波長、頻率相等，波速不等B2與1的波速、頻率相等，波長不等C3與1的波速、頻率、波長均相等D3與1的頻率相等，波速、波長均不等解析：選D波1、2都在介質(zhì)a中傳播，故1、2的頻率、波

14、速、波長均相等，A、B錯。波1、3是在兩種不同介質(zhì)中傳播，波速不同，但波源沒變，因而頻率相等，由得波長不同，故C錯，D對。1(多選)下列說法中不正確的是()A只有平面波的波面才與波線垂直B任何波的波線與波面都相互垂直C任何波的波線都表示波的傳播方向D有些波的波面表示波的傳播方向解析：選AD不管是平面波，還是球面波，其波面與波線均垂直，選項A錯誤，選項B正確，波線表示波的傳播方向，選項C正確，D錯誤。2(多選)下列對惠更斯原理的理解，正確的是()A同一波面上的各質(zhì)點振動情況完全相同B同一振源的不同波面上的質(zhì)點的振動情況可能相同C球面波是以波源為中心的一個個球面D無論怎樣的波，波線始終和波面平行解

15、析：選ABC根據(jù)惠更斯原理，介質(zhì)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(jìn)方向的包絡(luò)面就是新的波面，同一波面上各質(zhì)點的振動情況完全相同，選項A正確；不同波面上質(zhì)點的振動情況可能相同，選項B正確；球面波是以波源為中心的一個個球面，選項C正確；波線始終與波面垂直，選項D錯誤。3(多選)當(dāng)人聽到聲音的頻率越來越低時，可能的原因是()A聲源和人都是靜止的，聲源振動的頻率越來越低B人靜止，聲源遠(yuǎn)離人做勻速直線運動，聲源振動的頻率不變C人靜止，聲源遠(yuǎn)離人做勻加速直線運動，聲源振動的頻率不變D人靜止，聲源遠(yuǎn)離人做勻減速直線運動，聲源振動的頻率不變解析：選AC人聽到的聲音的頻

16、率越來越低，聲源遠(yuǎn)離觀察者，且遠(yuǎn)離的速度越來越大，也就是加速遠(yuǎn)離。所以A、C正確。4(多選)如圖1所示，男同學(xué)站立不動吹口哨，一位女同學(xué)坐在秋千上來回擺動，下列關(guān)于女同學(xué)的感受的說法正確的是()圖1A女同學(xué)從A向B運動過程中，她感覺哨聲音調(diào)變高B女同學(xué)從E向D運動過程中，她感覺哨聲音調(diào)變高C女同學(xué)在C點向右運動時，她感覺哨聲音調(diào)不變D女同學(xué)在C點向左運動時，她感覺哨聲音調(diào)變低解析：選AD女同學(xué)蕩秋千的過程中，只要她有向右的速度，她就有靠近聲源的趨勢，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)向左運動時，她感到音調(diào)變低。選項A、D正確，B、C錯誤。5同一音叉發(fā)出的聲波在水和空氣中傳播，某時

17、刻的波形曲線如圖2所示，以下說法正確的是()圖2A聲波在水中波長較大，b是水中聲波的波形曲線B聲波在空氣中波長較大，b是空氣中聲波的波形曲線C水中質(zhì)點振動頻率較高，a是水中聲波的波形曲線D空氣中質(zhì)點振動頻率較高，a是空氣中聲波的波形曲線解析：選A波的頻率取決于波源的振動頻率，與介質(zhì)無關(guān)，故同一音叉發(fā)出的聲波在水中與在空氣中傳播時頻率相同。但機械波在介質(zhì)中傳播的速度只取決于介質(zhì)性質(zhì)，與波的頻率無關(guān)，聲波在水中傳播的速度大于在空氣中傳播的速度。由vf知，聲波在水中的波長應(yīng)較大，對應(yīng)于題圖中波形曲線b，故只有A正確。6在坐標(biāo)原點的波源產(chǎn)生一列沿x軸正方向傳播的簡諧橫波，波速v200 m/s，已知t0

18、時波剛好傳播到x40 m處，如圖3所示。在x400 m處有一接收器(圖中未畫出)，則下列說法正確的是()圖3A波源開始振動時方向沿y軸正方向B從t0開始經(jīng)0.15 s，x40 m的質(zhì)點運動的路程為0.6 mC接收器在t2 s時才能接收到此波D若波源向x軸正方向運動，接收器收到的波的頻率可能為9 Hz解析：選B由題圖知，x40 m處的質(zhì)點的起振方向向下，則波源的起振方向也向下(y軸負(fù)向)，A錯；由圖知20 m，A10 cm，T0.1 s，而t10.15 sT，所以x40 m的質(zhì)點0.15 s運動的路程為s4A6A60 cm0.6 m，B對；波由x40 m處傳到x400 m處所需時間t s1.8

19、s，C錯。當(dāng)波源向x軸正向運動時，波源將靠近接收器，此時接收器收到的波的頻率將大于波源的頻率，即接收頻率將高于10 Hz，D錯誤。7有一輛汽車以15 m/s的速度勻速行駛，在其正前方有一陡峭山崖，汽車鳴笛2 s后司機聽到回聲，此時汽車距山崖的距離有多遠(yuǎn)？(v聲340 m/s)解析：畫出汽車與聲音運動過程示意圖如圖所示。設(shè)汽車由A到C位移為s1，C到山崖B距離為s2，設(shè)汽車鳴笛到司機聽到回聲時間為t，則t2 s。則：t解得s2 m325 m。答案：325 m8.我國第24 次南極科考隊經(jīng)過長達(dá)13天，4 000多海里航行，已安全到達(dá)中國南極長城站，在考察途中“雪龍?zhí)枴?如圖4所示)經(jīng)歷了各種考驗，并進(jìn)行了海冰觀測、地磁觀測、氣象觀測、極光及高空物理觀測，在海面上航行時，它還不時地探測海洋的濃度，在它上面配有一種十分先進(jìn)的聲吶探測系統(tǒng)，其原理是：向海底發(fā)射超聲波，超聲波就會從海底反射回來，通過這種方式測海底深度，已知超聲波在海水中認(rèn)為是勻速直線運動，且知其速度為1 400 m/s，船靜止時測量，從發(fā)射超聲波到接收反射所用的時間為7 s，試計算“雪龍?zhí)枴彼谖恢玫暮Ｋ疃?？圖4解析：超聲波的運行可認(rèn)為勻速直線運動，則傳播距離為xvt1 4007 m9 800 m，又因為海水深度為聲波距離的一半，所以h m4 900 m。答案：4 900 m10