多普勒效应-高中-物理-教学设计

多普勒效应王琦西安铁一中滨河高级学校【教学目标与核心素养】物理观念∶理解多普勒效应的基本原理，包括波源和观察者相对运动时频率和波长的变化；掌握多普勒效应的公式，并能运用这些公式解决相关问题。科学思维∶多普勒效应不仅涉及物理学，还与数学、工程学、天文学等多个学科领域相关联，通过将不同学科的知识结合起来，可以更全面地理解和应用多普勒效应。科学探究：培养学生的观察能力，通过实验和生活实例感受多普勒效应；提高学生的分析和解决问题的能力，通过分析多普勒效应的成因和应用场景。科学态度与责任∶激发学生对物理现象的兴趣和探索精神；培养学生的合作意识和创新意识，通过小组讨论和实验探究；树立学生正确的学习观，认识到物理知识与生活的密切联系。【教学重点】重点在于多普勒效应的基本原理和计算方法。【教学难点】难点在于应用多普勒效应理论解决实际问题，以及对多普勒效应产生原因的深入理解。【教学过程】一、新课导入提出问题：生活中存在这么一种现象，一辆汽车从身边疾驶而过，车上喇叭的音调有一个从高到低的突然变化；站在铁路旁边听列车的汽笛声也能够发现，列车迅速迎面而来时音调较高，而列车迅速离去时则音调较低。为什么会发生这种情况？（图1）图1二、新课学习（一）多普勒效应定性分析1．多普勒效应：由于波源和观察者之间有相对运动，使观察者接收到的波的频率发生变化的现象叫做多普勒效应。这种现象是奥地利物理学家多普勒在1842年最先发现的。奥地利科学家多普勒带着女儿在铁道旁散步时也注意到了类似的现象，他经过认真的研究，发现波源和观察者互相靠近或者互相远离时，都会使观察者感到频率发生了变化，并且做出了相应的解释，因此人们把这种现象叫做多普勒效应。2．多普勒效应现象：让一队人沿街行走，观察者站在街旁不动，每秒有9个人从他身边通过．这种情况下的“过人频率”是9人/秒（图2）；如果观察者逆着队伍行走，每秒和观察者相遇的人数增加，也就是频率增加（图3）；反之，如果观察者顺着队伍行走，频率降低（图4）．通过上面的演示，可以得到怎样的结论？教师讲解多普勒效应的成因，让学生理解多普勒效应的实质。3．多普勒效应的成因：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。而接收者听到的声音的音调，是由接收者接收到的频率决定的，即单位时间接收到的完全波的个数决定的。（二）模拟实验演示1．创设情境：为了更科学的说明问题，用水波代替声波（都是机械波），做如下演示实验。2．实验过程：在盛有清水的大水槽中，以一端粘有直径约为8ｍｍ的石蜡球的细弹簧作为弹簧单振子，使单振子与水面接触，如图5所示。若使单振子沿竖直方向周期性地上下击打水面，这时，水面上就形成向四周传播的周期性同心圆波。若将振动着的单振子在水面上向右平移、便可看到从振源中心到右槽壁间的波纹变密、波长缩短，右壁接收波的频率变大，而振源中心到左槽壁的波纹变疏，波长增大，左槽壁接收波的频率变小，波形如图6所示。（做该实验时，水槽尽量大些，为减少反射波的影响，可用多层纱布条缝叠在一起，挂在水槽壁内，以吸收传到槽壁的波）。3．实验结果：通过上面的演示，可以帮助学生更好的理解多普勒效应，同时强调波源与观察者有相对运动时，波源（单振子）的频率没有发生变化，观察者（槽壁）接受的频率发生变化，与波源频率不同，波源靠近观察者时，观察者（右槽壁）接受到的频率大于波源的实际频率；波源远离观察者时，观察者（左槽壁）接受到的频率小于波源的实际频率。（三）多普勒效应的应用1．有经验的铁路工人可以从火车的汽笛声判断火车的运动方向和快慢。有经验的战士可以从炮弹飞行时的尖叫声判断飞行的炮弹是接近还是远去。学生思考：如何判断？火车驶来时，由于多普勒效应，听到的汽笛声调比较高，感觉尖锐刺耳；火车远离时，听到的汽笛声调较低，听起来较为低沉。交通警察利用多普勒效应测速。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。3．医生向人体内发射频率已知的超声波，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，就能知道血流的速度。这种方法俗称“彩超”，可以检查心脏、大脑和眼底血管的病变。【课堂练习】1．(多选)关于多普勒效应，下列说法正确的是()A.产生多普勒效应的原因是波源频率发生了变化B.产生多普勒效应的原因是观察者和波源发生了相对运动，且两者间距发生变化C.甲、乙两列车相向行驶，两车均鸣笛，且所发出的笛声频率相同，那么乙车中的某旅客听到的甲车笛声频率低于他听到的乙车笛声频率D.高速公路上的测速仪是应用多普勒效应测速的答案：BD解析：产生多普勒效应的原因是观察者和波源发生了相对运动且两者间距发生了变化，而波源的频率没有发生变化，A错误，B正确；若甲、乙两列车相向行驶，两车均鸣笛，且所发出的笛声频率相同，乙车中的某旅客听到的甲车笛声频率变大，乙车笛声频率不变，C错误；高速公路上的测速仪是应用多普勒效应测速的，D正确。2．汽车无人驾驶技术已逐渐成熟，最常用的是ACC自适应巡航控制系统，它可以控制无人车在前车减速时自动减速、前车加速时自动跟上去。其使用的传感器主要是毫米波雷达，该雷达会发射和接收调制过的无线电波，再通过因波的时间差和多普勒效应造成的频率变化来测量目标的相对距离和相对速度。若该雷达发射的无线电波的频率为f，接收到的回波的频率为f′，则()A.当f＝f′时，表明前车与无人车速度相同B.当f＝f′时，表明前车一定处于静止状态C.当f′＞f时，表明前车在加速行驶D.当f′＜f时，表明前车在减速行驶答案：A解析：当波源和观察者之间的距离不变化时，观察者接收到的频率和波源发出的频率相等，故当f＝f′时，说明两者之间的距离不变，表明前车与无人车的速度相同，但不一定静止，故A正确，B错误；当f′＞f时，接收到的频率增大，说明两车之间的距离减小，表明前车在减速行驶，故C错误；当f′＜f时，接收到的频率减小，说明两车之间的距离增大，表明前车在加速行驶，故D错误。3．(多选)如图所示，小球P一边贴着水面每秒振动5次，一边沿x轴正方向匀速移动。x＝0处是它的初始位置；图为恰经10个周期时观察到的水面波，则下列说法正确的是()A.位于x轴正方向一侧的观察者，接收到的频率大于5HzB.位于x轴负方向一侧的观察者，接收到的频率大于5HzC.水面波的传播速度是0.2m/s，小球匀速移动的速度是0.1m/sD.水面波的传播速度是0.4m/s，小球匀速移动的速度是0.2m/s答案：AC【板书设计】多普勒效应1.概念：波源与观察者相对运动导致频率变化2.现象：接近时频率增高，远离时频率降低3.成因：波源频率与接收频率的差异4.应用：交通监控、医学诊断、军事【课后反思】关于多普勒效应的教学，由于重在了解和应用，因此在讲解过程中一定要注重现象的总结，让学