2018学年科教版高二物理选修3-4第二章《机械波》多普勒效应惠更斯原理

多普勒效应、惠更斯原理【学习目标】1．知道波面、波线的概念及其关系，理解惠更斯原理．2．知道波传播到两种介质交界面时，会发生反射和折射．3．知道波发生反射时，反射角等于入射角，反射波的频率、波速和波长都与入射波相同．4．知道波发生折射是由于波在不同的介质中速度不同．知道折射角与入射角的关系．5．知道波源的频率与观察者接收到的频率的区别．6．知道什么是多普勒效应，知道它是在波源与观察者之间有相对运动时产生的现象．7．了解多普勒效应的一些应用．【要点梳理】要点一、惠更斯原理1．波阵面和波线波阵面：由振动状态相同的点组成的平面或曲面叫波阵面或波面．波线：与波面垂直的那些线代表了波的传播方向，叫波线．2．球面波和平面波球面波：波阵面是以波源为球心的一个个球面，波线是这些球面的半径，这种波为球面波．平面波：波阵面是平面的波为平面波．3．惠更斯原理介质中任一波面上的各点，都可以看作发射子波的波源，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．4．波的反射当波遇到障碍物时，会返回到原来的介质中继续传播，这种现象叫波的反射．入射角：入射波的波线与法线的夹角，如图中的．反射角：反射波的波线与法线的夹角，如图中的．反射定律：（1）入射波的波线、法线、反射波的波线在同一平面内，且反射角等于入射角．（2）反射波的波长、频率、波速都跟入射波的相同．5．波的折射（1）波传播到两种不同的可传播波的介质界面时，会有一部分进入第二种介质中，但波线会发生变化，这种现象叫波的折射．（2）折射角：折射波的波线与法线间的夹角，如图中的．（3）折射定律：①内容：入射角的正弦与折射角的正弦之比等于波在第一种介质中的速度与波在第二种介质中的速度之比．式中和分别为波在介质和介质中的入射角和折射角，和，分别为波在介质1和介质中的波速．（4）折射率：6．入射波、反射波、折射波的波速、波长、频率的关系反射波的波长、频率、波速都与入射波相同．折射波的频率与入射波的频率相同，波速、波长都不相同．要点二、多普勒效应1．多普勒效应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．多普勒效应是波独有的特征．声源完成一次全振动，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．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．2．多普勒效应的解释为简单起见，我们只讨论波源和观察者在二者的连接线上运动的情形．（1）波源与观察者相对于介质均静止的情况．观察者所接收到的频率与波源的振动频率相同．（2）波源静止而观察者运动的情况．若观察者朝波源运动，由于观察者迎着波传来的方向运动，使得观察者在单位时间内接收到的完全波的个数大于波源发出的完全波的个数，即观察者接收的频率高于波源频率。若观察者背离波源即顺着波的传播方向运动，观察者的接收频率低于波源频率．（3）观察者静止而波源运动的情况．当波源向观察者运动时，波源在前进过程中，不断地发射出波，而已经发射出的波仍以波速前进，而后继波的波源地点（球面的中心）向前移动，所以波源前面的波面被挤紧，因此波面间隔减小了；波源后面的波面稀疏了，因此，波面间隔增大了，如图所示．波在介质中的传播速度并没有改变，观察者在波源右方时，即波源接近观察者时，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，同样道理，观察者在波源左方时，即波源远离观察者时，接收到的频率减小，3．多普勒效应中接收到的频率的计算公式（1）波源相对介质静止，观察者以速度相对于介质运动．“+”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．“+”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．4．多普勒效应的定性分析方法波源与观察者相互接近，观察者接收到的频率增大；波源与观察者相互远离，观察者接收到的频率减小．5．多普勒效应的应用（1）多普勒测速仪测车速．（2）医用彩色超声波多普勒心动图仪测定心脏跳动，血管血流等情况．（3）电磁波的多普勒效应为跟踪目的物（如导弹、云层等）提供了一种简单的方法．在军事、航天、气象预报等领域有了广泛的应用．（4）用多普勒效应测量其他星系向着还是远离地球运动的速率．【典型例题】 类型一、波的反射现象与折射现象的应用例1、图中1、2、3分别代表入射波、反射波、折射波的波线，则（）．A．2与1的波长、频率相等，波速不等B．2与1的波速、频率相等，波长不等C．3与1的波速、频率、波长均相等D．3与1的频率相等，波速、波长均不等【思路点拨】波线1与2都在同一种介质a中传播，波线1与3是在两种不同介质中传播，但都是同一波源发出的波。【答案】D【总结升华】波在传播过程中，频率不变，始终等于波源的频率，由于通过不同的介质，传播速度发生了变化，所以波长也变了。举一反三【变式】如图所示a、b、c分别为入射波、反射波、折射波，已知入射波速v=10m/s，入射角=30°，反射波线与折射波线相垂直，求折射波的速度。【答案】17.3m/s【解析】根据题图，由几何知识与波的反射定律可求出波的折射角=60°，类型二、波的反射的应用【思路点拨】画出汽车、声波的运动示意图，进行分析，根据距离关系列方程求解。【解析】若汽车静止问题就简单了，现汽车运动，声音传播．如图所示为汽车与声波的运动过程示意图，【总结升华】利用反射测距是一种常用方法，此题注意汽车是运动的，画出运动示意图，帮助分析解答．【解析】由题意画出其平面图如图所示．设云层下表面的高度为，则由云层反射来的爆炸声传播距离为【答案】类型三、多普勒效应概念的理解例3、下列说法中正确的是（）．A．发生多普勒效应时，波源的频率变化了B．发生多普勒效应时，观察者接收到的频率发生了变化C．多普勒效应是在波源与观察者之间有相对运动时产生的D．多普勒效应是由奥地利物理学家多普勒首先发现的【思路点拨】发生多普勒效应时，波源的频率并没有发生变化，是由于波源与观察者之间有相对运动时，观察者感受到波源的频率发生了变化。【答案】BCD.【解析】当声源与观察者之间有相对运动时，会发生多普勒效应，C对；发生多普勒效应时，声源的频率并没有发生变化，A错；多普勒效应产生的本质是观察者接收到的频率不等于波源频率，它首先是由奥地利物理学家多普勒发现，故正确答案为BCD.【总结升华】发生多普勒效应时，只是观察者接收到的频率发生变化，而波源的频率并没有变化，这一点是易错点．举一反三【变式】下列说法正确的是（）．A．若声波波源向观察者靠近，则观察者接收到的声波频率减小B．声波击碎玻璃杯的实验原理是共振C．超声波在水中传播的距离要比光波和无线电波远得多D．“闻其声不见其人”是声波的干涉现象【答案】BC【解析】由多普勒效应可知，若声波波源向着观察者运动，则观察者接收到的声波频率增大，A项错误；声波击碎玻璃杯是声波频率与玻璃杯的固有频率相同，玻璃杯发生共振导致破碎，B项正确；由于水对光波和无线电波吸收比对声波吸收得多，所以超声波在水中传播的距离比光波和无线电波在水中传播的距离远得多，C项正确；“闻其声不见其人”是声波的衍射现象，D项错误．类型四、根据观察者运动求波数【总结升华】在理解多普勒效应时，要明确波速不因波源和观察者的运动而发生变化．【变式】如图所示，让小球P一边贴水面每秒振动5次，一边沿x轴正方向匀速移动，O点是它的初始位置。图示为观察到的某一时刻的水面波，图中的实线表示水面波的波峰位置，此时小球P处于波峰位置，激起的第一个波峰刚好传到40cm处。那么水面波的传播速度及小球P匀速移动的速度分别是（）．A．0.05m/s，0.025m/sB．0.1m/s，0.1m/sC．0.15m/s，0.125m/sD．0.2m/s，0.1m/s【答案】D类型五、根据多普勒效应判断频率变化D．以上说法均不正确【思路点拨】针对不同情况列出不同的关系式，注意关系式中各物理量所表示的物理意义．【答案】ABC故C项正确．【总结升华】要注意关系式中各物理量所表示的物理意义．要针对不同情况列出不同的关系式．【变式1】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【答案】BD【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BD．A．增大，增大B．增大，不变C．不变，增大D．减小，不变【答案】B【解析】由于声波的速度由介质决定，故不变，根据多普勒效应可知，当声源接近接收器时接收到的频率变高，增加，故B项正确．类型六、根据多普勒效应判断车速【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项正确．【总结升华】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．举一反三:【变式1】利用超声波遇到物体发生反射，可测定物体运动的有关参量，如图甲所示仪器和通过电缆线驳接，为超声波发射与接收一体化装置，而仪器为提供超声波信号源而且能将接收到的超声波信号进行处理并在屏幕上显示其波形。现固定装置，并将它对准匀速行驶的小车，使其每隔固定时间T0发射一短促的超声波脉冲（如图乙中幅度大的波形），而接收到由小车反射回的超声波经仪器处理后显示如图乙中幅度较小的波形，反射滞后的时间