2019届高中物理第十二章机械波第5、6节多普勒效应惠更斯原理讲义含解析

多普勒效应惠更斯原理多普勒效应及产生的原因[探新知·基础练]1．多普勒效应(1)音调：音调由频率决定，频率高则音调高，频率低则音调低。(2)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)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，观察到的频率增加；反之，当波源与观察者互相远离时，观察到的频率变小。[辨是非](对的划“√”，错的划“×”)1．发生多普勒效应时，波源发出的频率不变。(√)2．多普勒效应说明波源的频率发生变化。(×)3．多普勒效应是指观察者接收到的频率比波源发出的频率大的情况。(×)[释疑难·对点练]多普勒效应的产生(1)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)观察者听到的声音的音调，是由观察者接收到的频率，即单位时间内接收到的完全波的个数决定的。①波源和观察者相对静止。观察者接收到的频率等于波源的频率；②波源和观察者有相对运动。观察者在单位时间内接收到的完全波的个数发生变化，即感觉到波的频率发生变化。波源与观察者如果相互靠近，观察者接收到的频率增大；二者如果相互远离，观察者接收到的频率减小。(3)多普勒效应是波的特性，不只是机械波会产生多普勒效应，后面所学的光波、电磁波也会产生这一现象。[特别提醒]发生多普勒效应是由于波源与观察者发生了相对运动，而与波源到观察者的距离无关。[试身手]1．(多选)下列哪些现象是多普勒效应造成的()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，远离你而去时，音调变低D．大风中，远处人的说话声时强时弱解析：选BC声波音调的高低由其频率决定，据多普勒效应，当声源与观察者发生相对运动时，观察者听到的音调会变化，B、C正确；声音的强弱由声波的能量决定，声源越近，声波能量越大，听起来越响亮，但音调不一定变化，A、D项不是由多普勒效应造成的。多普勒效应的应用[探新知·基础练]1．测车辆速度交警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，可得星球的速度。3．测血流速度向人体内发射已知频率的超声波，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可得血流速度。[辨是非](对的划“√”，错的划“×”)1．利用超声波的多普勒效应可以测车辆速度。(√)2．人们可以根据接收到太阳光的频率变小判断太阳离地球远去。(√)3．在医学上，医生根据超声波的多普勒效应测量血流速度。(√)[释疑难·对点练]1．多普勒效应再理解(1)多普勒效应是指观察者所接收到的波的频率与波源频率不同的现象，并不是接收到的波的强度发生变化的现象。(2)发生多普勒效应时，波源的频率并没有变化，是接收者接收到的频率(单位时间内接收到的完整波的个数)发生变化(大于或小于波源频率)。(3)多普勒效应的产生不是取决于波源与观察者之间的距离，而是取决于二者相对速度的大小和方向。2．多普勒效应应用(1)交警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，根据反射波的频率变化的多少就能知道车辆的速度。(2)利用多普勒效应测量恒星相对速度的方法。光波与声波的不同之处在于，光波频率的变化使人感觉到的是颜色的变化。如果恒星远离我们而去，则光的谱线就向红光方向移动，称为红移；如果恒星朝向我们运动，光的谱线就向紫光方向移动，称为蓝移。波源的速度越高，所产生的效应越大，根据光波红/蓝移的程度，可以计算出波源循着观测方向运动的速度。(3)了解血液流动速度，可以通过发射超声波来实现。由于血管内的血液是流动的物体，所以超声波振源与相对运动的血液间就产生多普勒效应。血管向着超声源运动时，反射波的波长被压缩，因而频率增加。血管离开声源运动时，反射波的波长变长，因而在单位时间里频率减少。反射波频率增加或减少的量，是与血液流动速度成正比，从而就可根据超声波的频移量，测定血液的流速。[试身手]2．(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．交警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，根据接收到的频率发生的变化，就可知汽车的速度，以便于交通管理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解析：选ABD凡是波都具有多普勒效应，因此利用光波的多普勒效应便可以测定遥远天体相对于地球的运动速度，A选项正确；被反射的电磁波，相当于一个运动的汽车发出的电磁波，其频率发生变化，由多普勒效应可求出运动汽车的速度，B选项正确；铁路工人根据振动的强弱而对列车的运动作出判断，C选项错误；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，D选项正确。惠更斯原理及应用[探新知·基础练]1．波面和波线(1)波面：从波源出发的波，经过同一时间到达的各点所组成的面，如图所示。(2)波线：用来表示波的传播方向的线，波线与各个波面总是垂直的。说明：波面是球面的波为球面波，如空气中的声波。波面是平面的波为平面波。2．惠更斯原理(1)内容：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)包络面：某时刻与子波波面相切的曲面。(3)应用：如果知道某时刻一列波的某个波面的位置，还知道波速，利用惠更斯原理可以得到下一时刻波面的位置，从而可确定波的前进方向。[辨是非](对的划“√”，错的划“×”)1．用惠更斯原理可以解释波的传播方向问题。(√)2．用惠更斯原理可以解释光的反射和折射现象。(√)3．用惠更斯原理不可以解释波的衍射现象。(×)[释疑难·对点练]1．对惠更斯原理的理解(1)惠更斯原理中，同一波面上的各点都可以看做子波的波源。波源的频率与子波波源的频率相等。(2)波线的指向表示波的传播方向。(3)在各向同性的均匀介质中，波线恒与波面垂直。(4)球面波的波线是沿半径方向的直线，平面波的波线是垂直于波面的平行直线。(5)利用惠更斯原理可以解释平面波和球面波的传播、波的衍射、干涉和折射现象，但无法说明衍射现象与狭缝或障碍物的大小关系。2．惠更斯原理的应用(1)应用惠更斯原理解释波的衍射：如图甲所示，平面波到达挡板上的狭缝AB，按照惠更斯原理，波面上的每一点都可以看做子波的波源，位于狭缝的点也就是子波源。因此波可以到达挡板后的位置。这就是波的衍射现象。(2)应用惠更斯原理解释波的反射：惠更斯原理对波的反射的解释，如图乙中a、c、b是入射波的波线，a′、c′、b′是反射波的波线。过a的入射点A作与波线垂直的波面AB，在波面AB上找三点A、C、B作为子波源，设波速为v，取时间间隔Δt＝BB′v；作Δt时间后子波源A、C发出的子波波面如图中小圆弧所示；画出子波波面的包络面A′B′，根据波线与波面的方位关系画出反射波线a′、c′、b′，代表了反射波的波线。(3)应用惠更斯原理解释波的折射现象：当波由一种介质进入另一种介质时发生偏折的现象叫做波的折射。用惠更斯原理解释如下：如图丙所示，一束平面波中的波线a首先于时刻t由介质1到达界面。波线a进入介质2后，又经过时间Δt，波线b也到达界面。这时A、C′两点发出的子波的波面如图中两小段圆弧所示，它们的包络面为图中的A′B′，这是波进入介质2之后的新的波面。由于是两种不同的介质，其中波的传播速度v1、v2不一定相同，在Δt这段时间内，两条波线a和b前进的距离AA′和BB′也不一定相同。因此波进入第二种介质后传播方向常常发生偏折。这是波的折射现象。[试身手]3．声源发出的声波在空气中向外传播过程中，振幅将逐渐减小，如何用惠更斯原理解释？解析：根据惠更斯原理可知，声波从声源发出后，在空中向外传播的过程中，形成了以波源为中心的波面。面上的每个点都是子波的波源，然后又形成子波波面，形成包络面，即为新波面。但声源提供的能量一定，在形成新的波面后，总能量不变，但每个新波面获得的能量减少，故在波的传播过程中振幅逐渐减小。答案：见解析多普勒现象应用发生多普勒效应的几种情况相对位置图示结论波源S和观察者A相对介质不动f波源＝f观察者，音调不变波源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，音调变高；若远离波源，由A→C，则f波源＞f观察者，音调变低观察者A不动，波源S运动，由S→S2f波源＜f观察者，音调变高[典例1]关于多普勒效应，以下说法正确的有()A．只有机械波才能产生多普勒效应B．当波源和观察者都运动时就产生多普勒效应C．产生多普勒效应的原因是波源的频率发生了变化D．产生多普勒效应的原因是观察者接收到的频率发生了变化[思路点拨]由于波源和观察者间存在相对运动，导致观察者接收到的频率与波源的频率不同，而波源的频率并没有发生变化。[解析]选D多普勒效应是波动过程共有的特征，无论是机械波、电磁波还是光波都会发生多普勒效应。产生多普勒效应的原因是波源和观察者有相对运动，导致观察者接收到的波的频率发生了变化，而波源的频率不变。故选项D正确，A、B、C错误。[典例2]公路巡警开车在高速公路上以100km/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超声波，结果该超声波被那辆轿车反射回来时，巡警车接收到的超声波频率比发出时低。(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，则该轿车是否超速？(3)若该轿车以20m/s的速度行进，反射回的超声波频率应怎样变化？[思路点拨]观察者与波源相互远离，观察者接收到的频率低于波源的频率；观察者与波源相互靠近，观察者接收到的频率高于波源的频率。[解析](1)巡警车接收到的超声波频率比发出时低，此现象为多普勒效应，选项C正确。(2)因巡警车接收到的频率低，由多普勒效应知巡警车与轿车在相互远离，而巡警车车速恒定且在后面，可判断轿车车速比巡警车车速(100km/h)大，故该轿车超速。(3)若该轿车以20m/s的速度行进时，此时巡警车与轿车在相互靠近，由多普勒效应知反射回的超声波频率应变高。[答案](1)C(2)超速(3)变高由多普勒效应判断波源或观察者的运动方向及速度时，只需比较波源频率f源和观察者接收到的频率f观之间的大小关系。当f源f观时，两者间距离在增大；当f源f观时，两者间距离在减小。惠更斯原理的应用解释波的反射与折射1．波的反射：反射波的波长、波速、频率跟入射波的相同。2．波的折射：在波的折射中，波的频率不变，波速和波长发生改变。3．波在两种介质的界面上发生折射的原因是波在不同的介质中的传播速度不同。[典例3](多选)下列说法正确的是()A．波发生反射时，波的频率不变，波速变小，波长变短B．波发生反射时，波的频率、波长、波速均不变C．波发生折射时，波的频率不变，但波长、波速发生变化D．波发生折射时，波的频率、波长、波速均发生变化[解析]选BC波发生反射时，波在同一种介质中传播，频率、波长和波速均不变，选项A错误，选项B正确；波发生折射时，是从一种介质传播到另一种介质，波速发生变化，波的频率由波源决定，所以波的频率不变，由公式v＝λf可知，波长发生变化，选项D错误，选项C正确。[课堂对点巩固]1．(多选)下列关于多普勒效应的说法中正确的是()A．只要波源在运动，就一定能产生多普勒效应B．当声源静止、观察者运动时，会产生多普勒效应C．只要声源在运动，观察者总是感到声音的频率变高D．当声源相对于观察者运动时，观察者听到的声音的音调可能变高，也可能变低解析：选BD当波源与观察者有