2025高考物理步步高同步练习选修1练习学习笔记第三章 5　多普勒效应

2025高考物理步步高同步练习选修1练习学习笔记5多普勒效应[学习目标]1.知道什么是多普勒效应，理解多普勒效应的形成原因(重点)。2.了解多普勒效应在生活中的应用，会用多普勒效应解释一些物理现象(重点)。一、多普勒效应1．多普勒效应波源与观察者相互靠近或者相互远离时，____________的波的________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，1s内通过观察者的波峰(或密部)的数目是________的，观测到的频率______波源振动的频率。(2)当波源与观察者相互接近时，1s内通过观察者的波峰(或密部)的数目________(选填“增加”或“减少”)，观测到的频率______(选填“增大”或“减小”)；反之，当波源与观察者相互远离时，观测到的频率________(选填“增大”或“减小”)。只要观察者与波源发生相对运动，就会产生多普勒效应，观测到的频率就大于波源振动的频率，这种说法对吗？为什么？_____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________1．相对位置变化与频率的关系相对位置图示结论(频率、音调、波面)波源S和观察者A相对静止f观察者＝f波源，音调不变波源S不动，观察者运动，由A→B或A→C由A→B，f观察者>f波源，音调升高由A→C，f观察者<f波源，音调降低观察者A不动，波源S运动，由S→S′，接近观察者或远离观察者波源向哪运动，哪个方向波面被压缩较密集接近观察者，f观察者>f波源，音调升高远离观察者，f观察者<f波源，音调降低2.成因归纳(1)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。(2)发生多普勒效应时，波源的频率保持不变，只是观察者接收到的频率发生了变化。(1)观察者与声源间没有相对运动也可能产生多普勒效应。()(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)多普勒效应是由于波的干涉引起的。()(4)当观察者远离波源运动时，观察者接收到的波的频率变小。()(5)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。()例1如图甲所示，某同学站立不动吹口哨，一位女同学坐在秋千上来回摆动，如图乙，下列关于女同学的感受的说法正确的是()A．女同学从A向B运动过程中，她感觉哨声音调变低B．女同学从E向D运动过程中，她感觉哨声音调变高C．女同学在点C向右运动时，她感觉哨声音调不变D．女同学在点C向左运动时，她感觉哨声音调变低例2(2022·苏州市质检)如图表示产生机械波的波源O做匀速运动的情况，图中的圆表示波峰。(1)该图表示的是________。A．干涉现象 B．衍射现象C．反射现象 D．多普勒效应(2)波源正在移向________(选填“A”“B”“C”或“D”)点。(3)观察到波的频率最低的点是________(选填“A”“B”“C”或“D”)点。例3一频率为600Hz的声源以20rad/s的角速度沿一半径为0.8m的圆周(圆心为O点)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，如图所示，则观察者接收到()A．声源在A点时发出声音的频率等于600HzB．声源在B点时发出声音的频率等于600HzC．声源在C点时发出声音的频率等于600HzD．声源在D点时发出声音的频率小于600Hz二、多普勒效应的应用1．利用多普勒测速仪测速交通警察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________，根据反射波________变化的多少就能知道车辆的速度。2．利用超声波测血流速度医生向人体内发射频率已知的超声波，测出被血管中的血流反射后的波的________变化，就可知道血流的________。3．利用光波的频率变化，计算星球靠近或远离我们的________。拓展：红移现象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，可测得星球靠近或远离地球的速度。若星球远离我们运动，接收到的光波的频率变小，谱线就向频率小的红端移动，这种现象称为红移现象。例4(多选)(2023·太原五中月考)关于多普勒效应的应用，下列说法中正确的是()A．发现星系谱线的“红移”现象B．利用多普勒效应可以从火车的鸣笛声中判断其运动方向C．利用多普勒效应可以判断遥远的天体相对地球的运动速度D．目前在技术上人们只能利用声波发生的多普勒效应例5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章末素养提升物理观念机械波(1)形成条件：________、________，二者缺一不可(2)特点：传播________________、传递______和信息，质点________随波迁移(3)波与振动的关系：有机械振动____________有机械波，有机械波必有机械振动(4)分类：按机械波传播方向和振动方向的关系分为________和________描述波的物理量(1)波长λ：一个周期传播的距离(2)频率f(周期T)：由________决定(3)波速v：由________决定(4)关系：v＝λf或v＝eq\f(λ,T)波的一些现象波的反射、波的折射、波的衍射、波的叠加、波的干涉、多普勒效应。科学思维图像法波的图像：(1)物理意义：横坐标表示波的传播方向上各质点的______________，纵坐标表示________________________________________(2)图像信息：波长λ、各质点的振幅A、各质点的位移x等(3)波的传播方向和各质点的振动方向互判模型法横波和纵波模型多普勒效应模型科学探究(1)通过实验认识波的反射和折射现象(2)探究波发生明显衍射的条件(3)通过实验研究和分析波的干涉现象科学态度与责任(1)通过了解机械波在介质中的传播速度及影响因素，让学生理解物理学的本质(2)通过分析多普勒效应的产生原理，认识超声波的多普勒测速仪、“彩超”等具体应用，培养学生对物理学的兴趣例1分析下列所描述的四个物理现象：①听到迎面而来越来越尖锐的汽笛声②水塘中的水波能绕过障碍物继续传播③夏天里一次闪电过后，有时会雷声轰鸣不绝④围绕振动的音叉转一圈会听到忽强忽弱的声音这些现象分别是波的()A．多普勒效应、反射现象、衍射现象、干涉现象B．多普勒效应、衍射现象、反射现象、干涉现象C．干涉现象、衍射现象、多普勒效应、折射现象D．多普勒效应、反射现象、干涉现象、衍射现象例2(2022·北京卷)在如图所示的xOy坐标系中，一条弹性绳沿x轴放置，图中小黑点代表绳上的质点，相邻质点的间距为a。t＝0时，x＝0处的质点P0开始沿y轴做周期为T、振幅为A的简谐运动。t＝eq\f(3,4)T时的波形如图所示。下列说法正确的是()A．t＝0时，质点P0沿y轴负方向运动B．t＝eq\f(3,4)T时，质点P4的速度最大C．t＝eq\f(3,4)T时，质点P3和P5相位相同D．该列绳波的波速为eq\f(8a,T)例3(多选)(2022·西安市高二期末)如图所示，波源O垂直于纸面做简谐运动，所激发的横波在均匀介质中向四周传播，图中虚线表示两个波面。t＝0时，离O点5m的A点开始振动，且向上振动；t＝1s时，离O点10m的B点也开始振动，此时A点回到平衡位置向下运动。则下列判断正确的是()A．该波的波速一定为5m/sB．该波的波长一定为2mC．波源开始振动时振动方向向下D．t＝1s时，AB连线上可能有3个点处于最大位移例4(多选)(2022·山东卷)一列简谐横波沿x轴传播，平衡位置位于坐标原点O的质点振动图像如图所示。当t＝7s时，简谐波的波动图像可能正确的是()例5(2022·遂宁市高二期末)一根长20m的软绳拉直后放置在光滑水平地板上，以绳中点为坐标原点，以绳上各质点的平衡位置为x轴建立图示坐标系。两人在绳端沿y轴方向不断有节奏地抖动，形成两列振幅分别为10cm、20cm的相向传播的机械波P、Q。已知P的波速为2m/s，t＝0时刻的波形如图所示。下列判断正确的有()A．两波源的起振方向相反，Q的传播速度小于2m/sB．t＝4.5s时，坐标原点处质点位移为30cmC．两列波的频率均为2Hz，叠加区域有稳定干涉图样D．两波在t＝3.5s时第一次相遇，相遇处质点位移为10cm例6(多选)(2022·浙江6月选考)位于x＝0.25m的波源P从t＝0时刻开始振动，形成的简谐横波沿x轴正负方向传播，在t＝2.0s时波源停止振动，t＝2.1s时的部分波形如图所示，其中质点a的平衡位置xa＝1.75m，质点b的平衡位置xb＝－0.5m。下列说法正确的是()A．沿x轴正负方向传播的波发生干涉B．t＝0.42s时，波源的位移为正C．t＝2.25s时，质点a沿y轴负方向振动D．在0到2s内，质点b运动总路程是2.55m专题强化6波的图像与振动图像的综合问题及波的多解问题[学习目标]1.进一步理解波的图像问题(重点)。2.知道波的图像和振动图像的区别与联系，会区别并分析两类图像(重难点)。3.理解波的多解性，会分析波的综合问题(重难点)。一、波的图像与振动图像的综合问题1．波的图像与振动图像的异同点振动图像波的图像不同点图像不同点物理意义一个质点在不同时刻的振动位移各质点在同一时刻的振动位移研究对象________沿波传播方向上的________坐标横坐标时间各质点的________纵坐标某一质点在________的振动位移各质点在________的振动位移一个完整波形信息周期T波长λ相同点图像形状正弦曲线可获取的信息质点的振幅A及位移、速度、加速度的大小和方向2.求解波的图像与振动图像综合问题的三个关键(1)分清振动图像与波的图像，横坐标为x的是波的图像，横坐标为t的是振动图像。(2)看清横、纵坐标的单位．尤其要注意单位前的数量级。(3)找准波的图像对应的时刻，找准振动图像对应的质点。例1(多选)(2022·庆阳第六中学高二期末)一列简谐横波在x轴上传播，t＝0时刻的波形如图甲所示，x＝2m处的质点P的振动图像如图乙所示，由此可以判断()A．该波的传播方向是沿x轴正方向B．4s末质点P的位移为5cmC．在t＝5s时质点P的速度为零D．在0～5s时间内质点P通过的路程是25cm例2(多选)如图所示，图(a)为一列简谐横波在t＝0.1s时刻的波形图，Q是平衡位置为x＝4m处的质点，图(b)为质点Q的振动图像，则下列说法正确的是()A．该波的周期是0.1sB．该波的传播速度为40m/sC．该波沿x轴正方向传播D．t＝0.4s时，质点P的速度方向向下分析波的图像与振动图像的综合问题，主要有以下两个方面：(1)由振动图像确定波的周期(质点振动周期)，由波的图像确定波长，进而计算波速。(2)先在振动图像中确定与波的图像对应时刻质点的振动方向，然后根据波的图像确定波的传播方向。注意：分清波的图像与哪一时刻对应，振动图像与哪一质点对应。例3(2022·北京市第四十四中学高二期中)一列沿x轴传播的简谐横波，t＝0时刻的波形图如图甲所示。图乙表示x＝1.0m处的质点的振动图像，则(1)求简谐横波传播速度的大小；(2)在图丙中画出平衡位置为x＝2.0m处质点的振动图像(从t＝0时刻开始计时，至少画出一个周期)；(3)在图丁中画出简谐横波t＝0.3s时的波形图(至少画出一个波长)。________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________Δt后波形图的画法1．特殊点法：找出波形图一个波形中相邻的几个特殊点(如波峰、波谷、平衡位置等点)，画出这些特殊点在Δt时刻的位置，然后用正、余弦曲线连起来画出波形图，如果Δt较长，可先表示为Δt＝nT＋Δt′。由于时间的周期性，可以去整留零，只需画出特殊点在Δt′时刻的波形图．特殊点法适用于特殊时间，Δt或Δt′必须为eq\f(1,4)T的整数倍才好确定特殊点的位置来画波形．特殊点法画波形图较为简单易行。2．平移法：算出波在Δt时间内传播的距离Δx＝vΔt，把波形沿波的传播方向平移Δx。如果Δx较大，可化为Δx＝nλ＋Δx′，由于波的空间周期性，可以去整留零，只需平移Δx′即可，平移波形后一定要注意把图像补画完整。二、波的多解问题1．波的传播方向的双向性形成多解只要没有指明机械波沿哪个方向传播，就要讨论两个方向的可能性。2．波的周期性形成多解(1)时间周期性：相隔周期________倍时间的两个时刻的波形图________________，时间间隔Δt与周期T的关系不明确造成多解。(2)空间周期性：将某一波形沿波的传播方向平移波长的________倍距离，平移后的波形与原波形________________，若题中没有给定传播距离与波长的确切关系，则会引起答案的不确定性。例4(2022·成都树德中学月考)一列横波在x轴上传播，介质中a、b两质点的平衡位置分别位于x轴上xa＝0、xb＝6m处，t＝0时，a质点恰好经过平衡位置向上运动，b质点正好到达最高点，且b质点到x轴的距离为4cm，已知这列波的频率为5Hz。(1)求经过Δt＝0.25s时a质点的位移大小以及这段时间内a质点经过的路程；(2)若a、b在x轴上的距离大于一个波长，小于两个波长，求该波的波速。______________________________________________________________________________________________________________________________________________________________例5一列简谐横波图像如图所示，t1时刻的波形如图中实线所示，t2时刻的波形如图中虚线所示，已知Δt＝t2－t1＝0.5s，(1)这列波的周期可能是多大？(2)这列波可能的波速表达式是怎样的？(3)若波向左传播，且3T<Δt<4T，波速为多大？________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________(4)若波速v＝68m/s，则波向哪个方向传播？________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________解决波的多解问题的一般思路1．首先考虑传播方向的双向性：如果题目未说明波的传播方向或没有其他条件暗示，应首先按波传播方向的可能性进行讨论。2．对设定的传播方向，首先确定Δt和T(或确定Δx和λ)的关系，一般先确定最简单的情况，即一个周期内(或一个波长内)的情况，然后在此基础上加nT(或nλ)。3．应注意题目是否有限制条件，如有的题目限制波的传播方向，或限制时间Δt大于或小于一个周期等。所以解题时应综合考虑，加强多解意识，认真分析题意。1光的折射[学习目标]1.理解光的折射定律，并能用来解释和计算有关问题(重点)。2.理解折射率的物理意义，知道折射率与光速的关系，会进行相关计算(重难点)。一、光的折射现象和折射定律如图所示为探究光从空气斜射入某种透明介质发生折射的实验装置，得到的实验数据如下表，请分析表格中的数据并思考以下问题：入射角θ1(°)折射角θ2(°)eq\f(θ1,θ2)eq\f(sinθ1,sinθ2)106.71.491.492013.31.501.493019.61.531.494025.21.591.515030.71.631.516035.11.711.517038.61.811.518040.61.971.51(1)随着入射角的增大，折射角怎样变化？光线的偏折程度怎样变化？(2)当入射角与折射角发生变化时，有没有保持不变的量(误差允许范围内)?__________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________1．光的反射(1)反射现象：光从第1种介质射到该介质与第2种介质的____________时，一部分光________到第1种介质的现象。(2)反射定律：反射光线与入射光线、法线处在______________内，反射光线与入射光线分别位于________的两侧；反射角________入射角。2．光的折射(1)折射现象：光从第1种介质射到该介质与第2种介质的____________时，一部分光进入第2种介质的现象。(2)折射定律折射光线与入射光线、法线处在________________内，折射光线与入射光线分别位于________________；________________与________________成正比，即eq\f(sinθ1,sinθ2)＝n12(式中n12是比例常数)。光的折射定律的三个关键词：“同平面”“线两旁”“成正比”。(3)在光的折射现象中，光路是________的。1．光从一种介质进入另一种介质时，传播方向是否一定发生变化？__________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________2．发生光的折射时(倾斜入射)，折射角一定小于入射角吗？__________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________3．当光发生折射时，折射角增大为原来的2倍，入射角也增加为原来的2倍，这种说法对吗？为什么？________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________(1)当光发生折射时，折射角总是小于入射角。()(2)折射角增大为原来的2倍，入射角也增大为原来的2倍。()例1(2023·广州中学检测)光线由空气射入半圆形玻璃砖，再由玻璃砖射入空气中，O点是半圆形玻璃砖的圆心。下列四幅光路图中，可能正确的是()例2光线以60°的入射角从空气射入玻璃中，折射光线与反射光线恰好垂直。(真空中的光速c＝3.0×108m/s)(1)画出光路图；(2)当入射角变为45°时，折射角的正弦值为多大？________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________解决光的折射问题的基本思路：(1)根据题意画出正确的光路图。(2)利用几何关系确定光路图中的边、角关系，要注意入射角、折射角分别是入射光线、折射光线与法线的夹角。(3)利用折射定律eq\f(sinθ1,sinθ2)＝n12，结合三角函数关系进行运算。二、折射率当同一束单色光从空气斜射入某种介质时，无论入射角如何改变，入射角的正弦值和折射角的正弦值的比值总保持不变。但是，如图所示，当该束光由空气以同一入射角斜射入不同的介质时，折射角却不同，入射角的正弦值和折射角的正弦值的比值也发生了变化，这说明什么？__________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________1．定义光从真空射入某种介质发生折射时，________________________与__________________之比，叫作这种介质的绝对折射率，简称折射率，即n＝eq\f(sinθ1,sinθ2)。2．折射率与光速的关系某种介质的折射率，等于光在________中的传播速度c与光在这种介质中的传播速度v之比，即n＝________。光从真空垂直界面射入某种介质中，光线不偏折，是否能说明在这种情况下，这种介质中的光速与真空中光速相同？属于折射吗？__________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________1．对折射率的理解(1)折射率n＝eq\f(sinθ1,sinθ2)，θ1为真空中的光线与法线的夹角，不一定为入射角；而θ2为介质中的光线与法线的夹角，也不一定为折射角。(2)折射率n是反映介质光学性质的物理量，它的大小由介质本身和光的频率共同决定，与入射角、折射角的大小无关，与介质的密度没有必然联系。2．折射率与光速的关系(1)光在介质中的传播速度v跟介质的折射率n有关，光在真空中的传播速度c最大，在其他介质中的传播速度都小于c。(2)由n＝eq\f(c,v)知，某种介质的折射率越大，光在该介质中的传播速度越小。(1)介质的折射率越大，光在这种介质中传播速度越慢。()(2)由n＝eq\f(sinθ1,sinθ2)得出，介质的折射率与入射角θ1的正弦成正比，与折射角θ2的正弦成反比。()(3)由于光从空气垂直进入水中时传播方向不变，故水的折射率为0。()例3如果光以同一入射角从真空斜射入不同介质，则折射率越大的介质()A．折射角越大，表示这种介质对光的偏折作用越大B．折射角越大，表示这种介质对光的偏折作用越小C．折射角越小，表示这种介质对光的偏折作用越大D．折射角越小，表示这种介质对光的偏折作用越小例4两束平行的细激光束垂直于半圆柱玻璃的平面射到半圆柱玻璃上，如图所示。已知其中一束光沿直线穿过玻璃，它的入射点是O，另一束光的入射点为A，穿过玻璃后两条光线交于P点。已知玻璃半圆截面的半径为R，OA＝eq\f(R,2)，OP＝eq\r(3)R。求该玻璃材料的折射率。________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________例5如图，一个储油桶的底面直径与高均为d。当桶内没有油时，从某点A恰能看到桶底边缘的某点B。当桶内油的深度等于桶高的一半时，仍沿AB方向看去，恰好看到桶底上的点C，C、B两点相距eq\f(d,4)。求油的折射率和光在油中传播的速度。________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________应用反射定律和折射定律解题的步骤1．根据题意规范画出光路图。2．利用几何关系确定光路图中的边、角关系，要注意入射角、反射角、折射角均是光线与法线的夹角。3．利用反射定律、折射定律及几何知识列方程求解，必要时可利用光路可逆原理辅助解题。2全反射[学习目标]1.知道光疏介质和光密介质，理解它们的相对性。2.知道光的全反射，会利用全反射解释有关现象(重点)。3.理解临界角的概念，能判断是否发生全反射并能画出相应的光路图(重难点)。4.了解全反射棱镜和光导纤维。一、全反射1．光疏介质和光密介质(1)光疏介质：折射率较________(填“大”或“小”)的介质。(2)光密介质：折射率较________(填“大”或“小”)的介质。(3)光疏介质与光密介质是________(填“相对”或“绝对”)的。2．全反射现象(1)全反射：光从______介质射入________介质时，同时发生折射和反射。当入射角增大到某一角度，使折射角达到90°时，______光完全消失，只剩下________光的现象。(2)临界角：刚好发生全反射，即折射角等于________时的入射角．光从________射入________时，发生全反射的临界角C与介质的折射率n的关系是sinC＝________。(3)全反射发生的条件①光从________介质射入________介质。②入射角________________临界角。“因为玻璃密度较大，所以一定是光密介质”，这种说法对吗？________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________1．光疏介质和光密介质(1)光疏介质和光密介质的比较光的传播速度折射率光疏介质大小光密介质小大(2)相对性：光疏介质、光密介质是相对的。任何两种透明介质都可以通过比较光在其中传播速度的大小或折射率的大小来判断谁是光疏介质或光密介质。(3)光疏和光密是从介质的光学特性来说的，并不是它的密度大小。例如，酒精的密度比水小，但酒精和水相比酒精是光密介质。2．全反射中的能量问题当光从光密介质射入光疏介质时，随着入射角增大，折射角也增大。同时折射光线强度减弱，即折射光的能量减小，反射光强度增强，能量增加，当入射角达到临界角时，折射光强度减弱到零，反射光的能量等于入射光的能量。(1)全反射是反射光线与折射光线重合的一种现象。()(2)光线从光疏介质射向光密介质时，也可能发生全反射。()例1一束光以45°的入射角从AB面射入如图所示的透明三棱镜中，棱镜折射率n＝eq\r(2)。试求光在AB面的折射角，并在图中画出该光束在棱镜中的光路图。___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________例2为了表演“隐形的大头针”节目，某同学在半径为r的圆形薄软木片中心垂直插入一枚大头针，并将其放入盛有水的碗中，如图所示。已知水的折射率为eq\f(4,3)，为了保证表演成功(在水面上看不到大头针)，大头针