2019-2020学年人教版物理选修3-4（浙江新高考专用版）讲义：第十二章 机械波 5-6 .docx

5多普勒效应6惠更斯原理知识内容选考要求课时要求多普勒效应b1.了解多普勒效应现象及其简单应用；初步理解多普勒效应产生的原因2了解波面、波线的概念，知道惠更斯原理，理解球面波与平面波的传播特点3会用惠更斯原理解释波的反射、折射以及分析简单的问题.惠更斯原理b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、惠更斯原理1波面和波线波面：任何振动状态相同的点组成的一个个圆波线：代表了波的传播方向，与波面垂直的线2惠更斯原理(1)定义：介质中任一波面上的各点，都可以看做发射子波的波源，其后任意时刻，这些子波在波前进方向的包络面就是新的波面(2)应用：用惠更斯原理可以说明平面波的传播，解释波的衍射，不能解释波的强度无法说明衍射现象与狭缝或障碍物的大小的关系3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()(4)波的折射现象和反射现象都可以用惠更斯原理解释()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AB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AB或AC，如图所示若靠近波源，由AB，则f观察者>f波源，音调变高；若远离波源，由AC，则f观察者<f波源，音调变低观察者A不动，波源S运动，由SS，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(多选)(2017湖州市高二下学期期中)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正确二、惠更斯原理1惠更斯原理的实质波面上的每一点(面元)都是一个次级球面波的子波源，子波的波速与频率等于初级波的波速和频率，此后每一时刻的子波波面的包络面就是该时刻总的波动的波面其核心思想是介质中任一处的波动状态是由各处的波动决定的2惠更斯原理的局限性波的直线传播、反射、折射等都能用此来进行较好的解释但是，惠更斯原理是比较粗糙的，用它不能解释衍射现象与狭缝或障碍物大小的关系例2(多选)对惠更斯原理的理解，下列说法正确的是()A同一波面上的各质点振动情况完全相同B同一波面上的各质点振动情况可能不相同C球面波的波面是以波源为中心的一个个球面D无论怎样的波，波线始终和波面垂直答案ACD解析按照惠更斯原理：波面是由任意时刻振动情况完全相同的点构成的面，A正确，B错误由波面和波线的概念可知，C、D正确三、波的反射和折射及应用如图所示，当波从介质传播到两介质的交界面时，返回介质的波和进入介质的波的频率变化吗？波长变化吗？答案返回介质时波的频率和波长均不变，进入介质时波的频率不变，波速变化，由vf得，波长变化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波长是由频率和波速共同决定的，即在波的反射中，由于波的频率和波速均不变，根据公式可知波长不改变；在波的折射中，当进入新的介质中波速增大时，由可知波长变大；反之变小例3图2中1、2、3分别代表入射波、反射波、折射波的波线，则()图2A2与1的波长、频率相等，波速不等B2与1的波速、频率相等，波长不等C3与1的波速、频率、波长均相等D3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，由得波长不同，故C错，D对例4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sx，第一次听到回声时，2xvt1第二次听到回声时，2(sx)v(t1t)其中t0.5 s，t11 s，代入数据得：s425 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sv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3所示，下列判断正确的是()图3A观察者接收到声源在A点发出声音的频率大于600 HzB观察者接收到声源在B点发出声音的频率等于600 HzC观察者接收到声源在C点发出声音的频率等于600 HzD观察者接收到声源在D点发出声音的频率小于600 Hz答案AB2(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ABD3.(对惠更斯原理的理解)(多选)如图4所示，A、B分别为tt1、tt2时平面波的波面，下列说法正确的是()图4A波面A和波面B互相平行B波面A上的各个质点的振动情况不一定相同C波面B上的各个质点的振动情况不一定相同D波面A上的各个质点的振动情况相同，波面B上的各个质点的振动情况也相同答案AD解析由波面的定义可得，D正确，B、C错误；平面波的波面与波源平行，可知波面A和波面B互相平行，故A正确4(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5(波的反射和折射)一列声波在空气中的波长为0.2 m当该声波从空气中以某一角度传入介质中时，波长变为0.6 m，如图5所示，若空气中的声速是340 m/s.求：图5(1)该声波在介质中传播时的频率；(2)该声波在介质中传播的速度；(3)若声波垂直进入介质，经0.4 s返回空气，则介质的深度为多少？答案(1)1 700 Hz(2)1 020 m/s(3)204 m解析(1)声波在空气中传播时，由vf得：空气中频率f Hz1 700 Hz.由于声波在不同介质中传播时，频率不变，所以声波在介质中传播时，频率为1 700 Hz.(2)由vf得声波在介质中的传播速度为v22f0.61 700 m/s1 020 m/s.(3)声波经0.2 s传至介质底部，故介质的深度hv21 0200.2 m204 m.一、选择题考点一多普勒效应1关于多普勒效应，下列说法中正确的是()A当波源与观察者都运动时，才会发生多普勒效应B当波源与观察者运动的速度相同时，不会发生多普勒效应C只有机械波才能发生多普勒效应D只要波源运动，就一定会发生多普勒效应答案B解析当波源与观察者有相对运动且两者之间的距离发生变化时，观察者接收到的频率增大或减小，才会发生多普勒效应，选项A错误；当波源与观察者运动的速度相同时，无相对运动，相当于二者都静止的情况，不会发生多普勒效应，故选项B正确，D错误；多普勒效应是波动过程共有的特征，这里的波动包括一切类型的波的传播过程，故选项C错误2.(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1A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3.(多选)(2017嘉兴一中高二期中)如图2所示是一波源O做匀速直线运动时在均匀介质中产生球面波的情况，则()图2A该波源正在移向a点B该波源正在移向b点C在a处观察，波的频率变低D在b处观察，波的频率变低答案AD4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)(2018永嘉高二检测)如图3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3A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错误考点二惠更斯原理6(多选)下列说法正确的是()A波线表示波的传播方向B波面表示波的传播方向C只有横波才有波面D波传播中某时刻任一波面上各子波波面的包络面就是新的波面答案AD解析波线表示波的传播方向，故A正确，B错误；所有的波都具有波面，故C错误；由惠更斯原理可知，D正确7(多选)下列说法中正确的是()A根据惠更斯原理可知，介质中任一波面上的各点，都可以看做发射子波的波源B惠更斯原理只能解释球面波的传播，不能解释平面波的传播C若知道某时刻一列波的某个波面的位置，由惠更斯原理就可以确定波的传播方向D惠更斯原理不但可以解释波的直线传播，还可以解释波的反射与折射等相关现象答案AD解析惠更斯原理将介质中任一波面上的各点看做发射子波的波源，可以解释波传播中的包括反射、折射在内的传播规律，故A、D正确；惠更斯原理既可以解释球面波，也可以解释平面波，故B错误；若除了知道某时刻一列波的某个波面的位置，还要知道波速，由惠更斯原理才可以确定波的传播方向，故C错误考点三波的反射与折射8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vf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对二、非选择题10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，反射回的波的频率应_(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11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f5.8104 Hz的超声波后，经过时间t0.64 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：vf2.51025.8104 m/s1 450 m/s，超声波往返的路程为svt1 4500.64 m928 m，渔船到鱼群的距离为：x464 m.12一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vf得f Hz1 360 Hz.(2)因频率不变，有f，得：vf1 3600.8 m/s1 088 m/s.