（山東省專用）2022高中物理 第十二章 機(jī)械波 第5、6節(jié) 多普勒效應(yīng) 惠更斯原理講義（含解析）新人教版選修3-4

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1、（山東省專用）2022高中物理 第十二章 機(jī)械波 第5、6節(jié) 多普勒效應(yīng) 惠更斯原理講義（含解析）新人教版選修3-4 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(shí)，觀察者接收到的波的頻率都會(huì)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(cè)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(diǎn)，都可以看做發(fā)射子波的波源，其后任意時(shí)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

2、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(shí)，接收到的波的頻率都會(huì)發(fā)生變化的現(xiàn)象。 2．多普勒效應(yīng)產(chǎn)生的原因 (1)波源與觀察者相對(duì)靜止時(shí)，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(cè)到的頻率等于波源振動(dòng)的頻率。 (2)當(dāng)波源與觀察者相互靠近時(shí)，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(shí)，觀察到的頻率變小。 二、多普勒效應(yīng)的應(yīng)用 1．測(cè)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(shí)測(cè)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(cè)星球速度：測(cè)量星球上某些元素發(fā)出的

3、光波的頻率。然后與地球上這些元素靜止時(shí)發(fā)光的頻率對(duì)照，可得星球的速度。 3．測(cè)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(cè)出反射波的頻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： ①波面：波源發(fā)出的波，向四周傳開，波峰組成了一個(gè)個(gè)圓，波谷也組成一個(gè)個(gè)圓，振動(dòng)狀態(tài)相同的點(diǎn)都組成了一個(gè)個(gè)圓，這些圓叫作一個(gè)個(gè)波面。 ②波線：指與波面垂直的那些線，代表了波的傳播方向。 如圖所示。 (2)波的分類： ①球面波：由空間一點(diǎn)發(fā)出的波，它的波面是以波源為球心的一個(gè)個(gè)球面，波線就是這些球面的半徑。 ②平面波：指波面

4、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(diǎn)，都可以看做發(fā)射子波的波源，其后任意時(shí)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： ①如果知道某時(shí)刻一列波的某個(gè)波面的位置，還知道波速，利用惠更斯原理可以得到下一時(shí)刻這個(gè)波面的位置，從而確定波的傳播方向。 ②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(qiáng)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(huì)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(shí)，波的傳播方向發(fā)生改變的現(xiàn)象。 1．自主思考——判一判 (

5、1)發(fā)生多普勒效應(yīng)時(shí)，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(gè)方向運(yùn)動(dòng)時(shí)，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(gè)過程中，我們所聽到的音調(diào)會(huì)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(huì)引起接收頻率的變化，頻率的變化會(huì)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(duì)方說話時(shí)，除了讓

6、一只耳朵轉(zhuǎn)向?qū)Ψ?，還習(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(diǎn)提高耳朵的接收能力？ 提示：在耳廓原有形狀、面積的基礎(chǔ)上增加一個(gè)手的面積是為了增加波的反射來提高耳朵的接收能力。 對(duì)多普勒效應(yīng)的理解 1．波源頻率 波源完成一次全振動(dòng)，向外發(fā)出一個(gè)波長(zhǎng)的波，稱為一個(gè)完全波。頻率表示單位時(shí)間內(nèi)完成的全振動(dòng)的次數(shù)。因此波源的頻率又等于單位時(shí)間內(nèi)波源發(fā)出的完全波的個(gè)數(shù)。 2．接收頻率 (1)波源和觀察者相對(duì)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(duì)運(yùn)動(dòng)。觀察者在單位時(shí)間內(nèi)接收到的完全波的個(gè)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

7、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(shí)間內(nèi)接收到的完全波的個(gè)數(shù)決定的。 [典例]　[多選]如圖所示，男同學(xué)站立不動(dòng)吹口哨，一位女同學(xué)坐在秋千上來回?cái)[動(dòng)，下列關(guān)于女同學(xué)的感受的說法正確的是(　　) A．女同學(xué)從A向B運(yùn)動(dòng)過程中，她感覺哨聲音調(diào)變高 B．女同學(xué)從E向D運(yùn)動(dòng)過程中，她感覺哨聲音調(diào)變高 C．女同學(xué)在C點(diǎn)向右運(yùn)動(dòng)時(shí)，她感覺哨聲音調(diào)不變 D．女同學(xué)在C點(diǎn)向左運(yùn)動(dòng)時(shí)，她感覺哨聲音調(diào)變低 [解析]　女同學(xué)蕩秋千的過程中，

8、只要她有向右的速度，她就有靠近聲源的趨勢(shì)，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(yùn)動(dòng)時(shí)，她感到音調(diào)變低。選項(xiàng)A、D正確，B、C錯(cuò)誤。 [答案]　AD 觀察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(shí)，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．有經(jīng)驗(yàn)的鐵路養(yǎng)護(hù)人員可以從火車?guó)Q笛的聲音判斷火車的行駛方向。他所利用的是聲波的(　　) A．干涉現(xiàn)象　　　　　 　B．衍射現(xiàn)象 C．多普勒效應(yīng) D．反射現(xiàn)象 解析：選C　據(jù)多

9、普勒效應(yīng)現(xiàn)象，當(dāng)火車運(yùn)動(dòng)方向靠近養(yǎng)護(hù)人員時(shí)，他聽到的聲音音調(diào)較高，火車遠(yuǎn)離養(yǎng)護(hù)人員時(shí)，他聽到的聲音音調(diào)較低。 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(shí)，音調(diào)變高，遠(yuǎn)離你而去時(shí)，音調(diào)變低 D．大風(fēng)中，遠(yuǎn)處人的說話聲時(shí)強(qiáng)時(shí)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(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，觀察者聽到的音調(diào)會(huì)變化，B、C正確；聲音的強(qiáng)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(xiàng)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

10、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BC　漁船與魚群發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，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(xiàng)B、C正確。 波的反射和折射 1．波的反射的應(yīng)用 (1)回聲測(cè)距： ①當(dāng)聲源不動(dòng)時(shí)，聲波遇到了靜止障礙物會(huì)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(shí)間相等。設(shè)經(jīng)過時(shí)間t聽到回聲，則聲源距障礙物的距離為s＝v聲。 ②當(dāng)聲源以速

11、度v向靜止的障礙物運(yùn)動(dòng)或障礙物以速度v向靜止的聲源運(yùn)動(dòng)時(shí)，聲源發(fā)聲時(shí)障礙物到聲源的距離為s＝(v聲＋v)。 ③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(shí)，聲源發(fā)聲時(shí)障礙物到聲源的距離為s＝(v聲－v)。 (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(shí)會(huì)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(dòng)方向。 2．波的反射與折射的對(duì)比 (1)對(duì)應(yīng)物理量的變化 　　波現(xiàn)象 比較項(xiàng) 　　 波的反射 波的折射 傳播方向 改變　i＝i′ 改變　r≠i 頻率f 不變 不變 波速v

12、不變 改變 波長(zhǎng)λ 不變 改變 (2)頻率、波速和波長(zhǎng)的決定因素 ①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(dòng)頻率相同。 ②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。 ③據(jù)v＝λf知，波長(zhǎng)λ與v及f有關(guān)，即與介質(zhì)和波源有關(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(zhǎng)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λ不同。 1．[多選]以下關(guān)于波的認(rèn)識(shí)，哪些是正確的(　　) A．潛艇利用聲吶探測(cè)周圍物體的分布情況，用的是波的反射原理 B．隱形

13、飛機(jī)怪異的外形及表面涂特殊隱形物質(zhì)，是為了減少波的反射，從而達(dá)到隱形的目的 C．雷達(dá)的工作原理是利用波的折射 D．水波從深水區(qū)傳到淺水區(qū)改變傳播方向的現(xiàn)象，是波的折射現(xiàn)象 解析：選ABD　A、B、C選項(xiàng)中應(yīng)用了波的反射現(xiàn)象；A、B正確、C錯(cuò)誤；D選項(xiàng)應(yīng)用了波的折射現(xiàn)象，深水區(qū)域和淺水區(qū)域視為不同介質(zhì)，故波的傳播方向發(fā)生改變，故D正確。 2．[多選]下列說法正確的是(　　) A．波發(fā)生反射時(shí)，波的頻率不變，波速變小，波長(zhǎng)變短 B．波發(fā)生反射時(shí)，頻率、波長(zhǎng)、波速均不變 C．波發(fā)生折射時(shí)，波的頻率不變，但波長(zhǎng)、波速發(fā)生變化 D．波發(fā)生折射時(shí)，波的頻率、波長(zhǎng)、波速均發(fā)生變化 解析：選

14、BC　波發(fā)生反射時(shí)是在同一介質(zhì)中，頻率、波長(zhǎng)、波速均不變，選項(xiàng)A錯(cuò)誤，B正確；波發(fā)生折射時(shí)，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v＝λf可知波長(zhǎng)也發(fā)生變化，選項(xiàng)C正確，D錯(cuò)誤。 3.如圖所示，1、2、3分別代表入射波、反射波、折射波的波線，則(　　) A．2與1的波長(zhǎng)、頻率相等，波速不等 B．2與1的波速、頻率相等，波長(zhǎng)不等 C．3與1的波速、頻率、波長(zhǎng)均相等 D．3與1的頻率相等，波速、波長(zhǎng)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、波速、波長(zhǎng)均相等，A、B錯(cuò)。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λ＝得波

15、長(zhǎng)不同，故C錯(cuò)，D對(duì)。 1．下列說法中正確的是(　　) A．水波是球面波 B．聲波是球面波 C．只有橫波才能形成球面波 D．只有縱波才能形成球面波 解析：選B　若波面是球面，則為球面波，與橫波、縱波無關(guān)，由此可知B正確，C、D錯(cuò)誤。由于水波不能在空間中傳播，所以它是平面波，A不正確。 2．[多選]下列對(duì)惠更斯原理的理解，正確的是(　　) A．同一波面上的各質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)情況完全相同 B．同一振源的不同波面上的質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)情況可能相同 C．球面波是以波源為中心的一個(gè)個(gè)球面 D．無論怎樣的波，波線始終和波面平行 解析：選ABC　根據(jù)惠更斯原理，介質(zhì)中任一波面上的各點(diǎn)，都可以

16、看做發(fā)射子波的波源，其后任意時(shí)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(diǎn)的振動(dòng)情況完全相同，選項(xiàng)A正確；不同波面上質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)情況可能相同，選項(xiàng)B正確；球面波是以波源為中心的一個(gè)個(gè)球面，選項(xiàng)C正確；波線始終與波面垂直，選項(xiàng)D錯(cuò)誤。 3．[多選]當(dāng)人聽到聲音的頻率越來越低時(shí)，可能的原因是(　　) A．聲源和人都是靜止的，聲源振動(dòng)的頻率越來越低 B．人靜止，聲源遠(yuǎn)離人做勻速直線運(yùn)動(dòng)，聲源振動(dòng)的頻率不變 C．人靜止，聲源遠(yuǎn)離人做勻加速直線運(yùn)動(dòng)，聲源振動(dòng)的頻率不變 D．人靜止，聲源遠(yuǎn)離人做勻減速直線運(yùn)動(dòng)，聲源振動(dòng)的頻率不變 解析：選AC　人聽到的聲音的頻率越來越低，聲源遠(yuǎn)

17、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．醫(yī)院通過彩超對(duì)人體進(jìn)行體檢時(shí)，彩超機(jī)向人體內(nèi)發(fā)射頻率已精確掌握的超聲波，超聲波經(jīng)血液反射后被專用儀器接收，然后通過反射波的頻率變化就可知血液的流速。這一技術(shù)主要體現(xiàn)了哪一種物理現(xiàn)象(　　) A．共振　　　　　　　　　 B．波的衍射 C．多普勒效應(yīng) D．波的干涉 解析：選C　根據(jù)多普勒效應(yīng)原理可知彩超機(jī)工作時(shí)主要體現(xiàn)了多普勒效應(yīng)。 5．同一音叉發(fā)出的聲波在水和空氣中傳播，某時(shí)刻的波形曲線如圖所示，以下說法正確的是(　　) A．聲波在水中波長(zhǎng)較大，b是水中聲波的波形曲線 B．聲波在空氣中波長(zhǎng)較大，b

18、是空氣中聲波的波形曲線 C．水中質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)頻率較高，a是水中聲波的波形曲線 D．空氣中質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)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(dòng)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(shí)頻率相同。但機(jī)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v＝fλ知，聲波在水中的波長(zhǎng)應(yīng)較大，對(duì)應(yīng)于題圖中波形曲線b，故只有A正確。 6．新型列車動(dòng)車組速度可達(dá)300 km/h，與該車汽笛聲的音調(diào)相比， (1)站在車前方路旁的人聽起來音調(diào)_______(選填“偏高”或“偏低”)，站在車后方路旁的人聽起來

19、音調(diào)_______(選填“偏高”或“偏低”)。 (2)迎面來的另一列車上的乘客聽起來音調(diào)怎樣？此時(shí)列車汽笛發(fā)出的聲波頻率變化了嗎？ (3)坐在新型列車動(dòng)車組上的乘客聽起來音調(diào)怎樣？ 解析：(1)站在列車前方的人與列車的距離在靠近，因此聽起來音調(diào)偏高，站在列車后方的人與列車的距離在遠(yuǎn)離，因此音調(diào)偏低。 (2)迎面來的列車上的乘客聽起來音調(diào)偏高，此時(shí)列車汽笛發(fā)出的聲波頻率不變。 (3)坐在該列車上的乘客與列車的相對(duì)位置不變，故聽起來音調(diào)不變。 答案：(1)偏高　偏低　(2)偏高　不變　(3)不變 7.我國(guó)第24 次南極科考隊(duì)經(jīng)過長(zhǎng)達(dá)13天，4 000多海里航行，已安全到達(dá)中國(guó)南極長(zhǎng)城

20、站，在考察途中“雪龍?zhí)枴?如圖所示)經(jīng)歷了各種考驗(yàn)，并進(jìn)行了海冰觀測(cè)、地磁觀測(cè)、氣象觀測(cè)、極光及高空物理觀測(cè)，在海面上航行時(shí)，它還不時(shí)地探測(cè)海洋的濃度，在它上面配有一種十分先進(jìn)的聲吶探測(cè)系統(tǒng)，其原理是：向海底發(fā)射超聲波，超聲波就會(huì)從海底反射回來，通過這種方式測(cè)海底深度，已知超聲波在海水中認(rèn)為是勻速直線運(yùn)動(dòng)，且知其速度為1 400 m/s，船靜止時(shí)測(cè)量，從發(fā)射超聲波到接收反射所用的時(shí)間為7 s，試計(jì)算“雪龍?zhí)枴彼谖恢玫暮Ｋ疃龋? 解析：超聲波的運(yùn)行可認(rèn)為勻速直線運(yùn)動(dòng)，則傳播距離為x＝vt＝1 400×7 m＝9 800 m，又因?yàn)楹Ｋ疃葹槁暡ň嚯x的一半，所以h＝＝ m＝4 900 m。 答案：4 900 m