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高中物理人教版选修3-4章节课件:12.5多普勒效应


知识与技能

1.知道波源的频率与观察者接收到的频率的区别。
2.知道什么是多普勒效应,知道它是在波源与观察 者之间相对运动时产生的现象。 3.了解多普勒效应的一些应用,体会日常生活中存 在的多普勒效应现象。

过程与方法

1.以声波为例,通过定性分析,使学生对多普勒效
应有初步了解。 2.通过

日常生活中的现象或技术,加深对多普勒效 应的理解。 情感、态度与价值观

培养学生观察生活、掌握知识、运用知识的能力。

1.波源与观察者互相________或者互相________时, 接收到的频率都会________,这种现象叫做多普勒效应。 2.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________波

源振动的频率;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 ________ , 观 察 到 的 频 率 ________;反之,当波源与观察者互相________时,观察 到的频率________。

3.多普勒效应在科学技术中有广泛的应用。交通警

察可以用来测量汽车的________,医生可用来测量血流的
速度,这种方法俗称为“________”。 答案: 1.靠近 2.等于 远离 增加 发生变化 增加 远离 变小

3.速度

彩超

(1)定义:由于波源和观察者之间有相对运动,使观察 者感到频率发生变化的现象叫做多普勒效应。 (2)成因:声源完成一次全振动,向外发出一个波长的

波,频率表示单位时间内完成的全振动的次数,因此波源
的频率等于单位时间内波源发出的完全波的个数,而观察 者听到的声音的音调,是由观察者接收到的频率,即单位 时间接收到的完全波的个数决定的。

①当波源和观察者相对介质都静止不动,即二者没有

相对运动时。
单位时间内波源发出几个完全波,观察者在单位时间 内就接收到几个完全波。观察者接收到的频率等于波源的 频率。 ②当波源和观察者有相对运动时,观察者接收到的频

率会改变。

a.波源相对介质不动,观察者朝波源运动时(或观察 者不动,波源朝观察者运动时)观察者在单位时间内接收 到的完全波的个数增多,即接收到的频率增大。此时,f 测 v+v人 v = λ > λ =f。情景如图 12-5-1(甲)(乙)所示。

如火车进站鸣笛时,我们感到音调变高,即因为接收 到的频率增大的情况。 b.波源相对介质不动,观察者远离波源运动时(或观 察者不动,波源远离观察者运动时)观察者在单位时间内 接收到的完全波的个数减少, 即接收到的频率减小。 此时, v-v人 v f 测= λ < λ =f。情景如图 12-5-2(甲)(乙)所示。

如火车出站鸣笛时,我们感到音调变低,即因为接收

到的频率减小的情况。
总之,当波源与观察者有相对运动时,如果二者相互 接近,观察者接收到的频率增大;如果二者远离,观察者 接收到的频率减小。 注意:①在多普勒效应中,波源的频率是不改变的,

只是由于波源和观察者之间有相对运动,观察者感到频率
发生了变化。 ②多普勒效应是波动过程共有的特征,电磁波和光波 也会发生多普勒效应。

(3)应用

①超声波测速:发射装置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。据反射波频率的变 化的多少可以知道车辆的速度。 ②红移现象:在20世纪初,科学家们发现许多星系的 谱线有“红移现象”,所谓“红移现象”,就是整个光谱

结构向光谱红色的一端偏移,这种现象可以用多普勒效应
加以解释:由于星系远离我们运动,接收到的星光的频率 变小,谱线就向频率变小(即波长变大)的红端移动。

科学家从红移的大小还可以算出这种远离运动的速度。

这种现象,是证明宇宙在膨胀的一个有力证据。
③医用“彩超”:向人体发射频率已知的超声波,超 声波被血管中的血液反射后被仪器接收。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可据火车汽笛的音调的变化可以判断火车是进站还

是出站;据炮弹飞行的尖叫声可以判断炮弹飞行的方向等。

【例1】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
一个已知频率的电磁波,如果该电磁波被那辆轿车反射回 来时,巡警车接收到的电磁波频率比发出时低,说明那辆 轿车的车速 A.高于100 km/h ( B.低于100 km/h )

C.等于100 km/h

D.无法确定

【答案】A

【解析】由多普勒效应知,巡警车接收到的频率低了,
即观察者接收到的频率低了,说明轿车和巡警车在相互远 离,而巡警车速度恒定,因此可以判定轿车的速度比巡警 车速度大,故A正确。 【思维点悟】由前面的分析可得出:当波源与观察者

远离时,频率变低;当波源与观察者靠近时,频率变高。

对应练习

火车上有一个声源发出频率一定的乐音。当火车静
止、观察者也静止时,观察者听到并记住了这个乐音的音 调。以下情况中,观察者听到这个乐音的音调比原来降低 的是 A.观察者静止,火车向他驶来 ( )

B.观察者静止,火车离他驶去
C.火车静止,观察者乘汽车向着火车运动 D.火车静止,观察者乘汽车远离火车运动

解析:当观察者与声源相向运动时,观察者接收到的

声波的个数增多,所以观察者接收到的频率升高,听到乐
音的音调比原来要高。当观察者与声源背向运动时,观察 者接收的声波的个数减少,所以观察者接收到的频率降低, 听到乐音的音调比原来降低了。综上所述,正确选项为B、 D。

答案:B、D

多普勒效应中接收到的频率 f′的计算公式 (1)波源相对介质静止, 观察者以速度 v0 相对于介 质运动。 v± 0 v f′=f0( v )。 “+”表示观察者走向波源, “-”表示观察者离开波源。

(2)波源以速度 vS 相对于介质运动, 观察者相对于介 质静止。 v f′=f0( )。 v± S v “+”表示波源离开观察者, “-”表示波源向观察者运动。 (3)波源与观察者同时相对于介质运动。 v+v0 相向运动:f′=f0( ); v-vS v-v0 反向运动:f′=f0( )。 v+vS

【例2】一固定的超声波源发出频率为100 kHz的超声

波,一辆汽车从远处向超声波源迎面驶来,在超声波源处
的接收器接收到从汽车反射回来的超声波,并测出接收到 的超声波频率为110 kHz,设空气中声音的传播速度是330 m/s,求汽车的行驶速度。 【答案】56.5 km/h

【解析】设波源发射的超声波频率为 f,汽车接收到的 频率为 f′,并把它反射回去,固定接收站接收到的频率为 f″, 超声波在空气里的传播速度为 v, 汽车的行驶速度为 u。 v 超声波在空气中的波长为 λ0,则 f= ,汽车每秒钟接收到 λ0 v u v+u 的超声波的波数,即频率 f′= + = v f,汽车反射回 λ0 λ0 v u v-u (v-u)v 的超声波在空气中的波长 λ′= - = f = , f′ f′ (v+u)f v v+u 固定接收器接收到的频率 f″= = f, 由此可以解得 u λ′ v-u f″-f = v=15.7 m/s,即为 56.5 km/h。 f″+f

多普勒效应的广泛应用 1.雷达测速仪 检查机动车速度的雷达测速仪也是利用这种多普勒效 应。交通警向行进中的车辆发射频率已知的电磁波,通常

是红外线,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。装有多普勒测速仪的警车有 时就停在公路旁,在测速的同时把车辆牌号拍摄下来,并 把测得的速度自动打印在照片上。

2.多普勒效应在医学上的应用

在临床上,多普勒效应的应用也不断增多,近年来迅
速发展起超声脉冲多普勒检查仪,当声源或反射界面移动 时,比如当红细胞流经心脏大血管时,其表面散射的声音 频率发生改变,由这种频率偏移可以知道血流的方向和速 度。如红细胞朝向探头时,根据多普勒原理,反射的声频

则提高,如红细胞离开探头时,反射的声频则降低。

3.宇宙学研究中的多普勒现象

20世纪20年代,美国天文学家斯莱弗在研究远处的旋
涡星云发出的光谱时,首先发现了光谱的红移,认识到了 旋涡星云正快速远离地球而去。1929年哈勃根据光谱红移 总结出著名的哈勃定律:星系的远离速度v与距地球的距 离r成正比,即v=Hr;H为哈勃常数。根据哈勃定律和后

来更多天体红移的测定,人们相信宇宙在长时间内一直在
膨胀,物质密度一直在变小。由此推知,宇宙结构在某一 时刻前是不存在的,它只能是演化的产物。

因而1948年伽英夫(G·Gamow)和他的同事们提出大

爆炸宇宙模型。20世纪60年代以来,大爆炸宇宙模型逐渐
被广泛接受,以致被天文学家称为宇宙的“标准模型”。

多普勒效应使人们对距地球任意远的天体运动的研究

成为可能,这只要分析一下接收到的光的频谱就行了。
1868年,英国天文学家W.哈金斯用这种办法测量了天狼星 的视向速度(即物体远离我们而去的速度),得出了46 km/s 的速度值。

4.移动通信中的多普勒效应

在移动通信中,当移动台移向基站时,频率变高,远
离基站时,频率变低,所以我们在移动通信中要充分考虑 “多普勒效应”。当然,由于日常生活中,我们移动速度 的局限,不可能会带来十分大的频率偏移,但在卫星移动 通信中,当飞机移向卫星时,频率变高,远离卫星时,频

率变低,而且由于飞机的速度十分快,所以我们在卫星移
动通信中要充分考虑“多普勒效应”。为了避免这种影响 造成我们通信中的问题,我们不得不在技术上加以各种考 虑,也加大了移动通信的复杂性。


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