第3.5节 多普勒效应-2024-2025学年高二物理同步学与练（沪科版2020上海选择性必修第一册 ）

第二章·机械振动第05讲多普勒效应目目标导航知识要点难易度1．多普勒效应：靠近波源，频率升高2．多普勒效应的应用3．适应范围：一切机械波和电磁波★★★★★★知知识精讲知识点01多普勒效应[观察思考]当救护车、消防车从身边飞驰而过时，你有没有注意过它们鸣笛声的音调发生了变化?[答案]：向你驶来时，你会觉得音调升高了;当车辆离你而去时，音调降低了。1.音调：音调由频率决定，频率高则音调高，频率低则音调低。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。2.波源频率和接收频率；(1)完全波：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。(2)波源频率：单位时间内波源发出的完全波的个数。(3)接收频率：观察者在单位时间内接收到的完全波的个数，即感觉到波的频率。3.多普勒效应：波源与观察者有相对运动时（靠近或远离），接收到的波的频率都会发生变化（高于波源频率或低于波源频率）的现象。波源与观察者相互靠近时，感觉声音“尖锐”，而相互远离时感觉声音“低沉”。4.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，即观察者的接受频率等于波源频率.(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，观察到的频率增加即接受频率>波源频率；反之，当波源与观察者互相远离时，接受频率<波源频率。(3)波源与观察的相对运动速度越大，观察到的频率改变也越大，即多普勒效应越明显。波速（机械波）即波的前沿传播速度只决定于介质，并不因为波源相对于介质有相对运动而改变。5.多普勒效应的拓展理解：(1)发生多普勒效应时波源频率（周期）并没有发生改变，而是观察者感觉频率有改变。(2)由于运动的相对性，描述波源与观察者的运动一般用介质做为参考系。既可以是波源运动，也可以是观察者运动，也可以是两者以不同速度运动。(3)当观察者远离声源速度大于声音传播速度时，将听不到声音。(4)多普勒效应不仅机械波会发生，电磁波也会发生，即一切波动都会发生多普勒效应。【例1】关于多普勒效应，下列说法中不正确的是()A．发生多普勒效应时波源的频率保持不变B．要发生多普勒效应，波源和观察者间必须有相对运动C．只有声波会发生多普勒效应D．机械波、电磁波和光波都会发生多普勒效应【答案】C【解析】发生多普勒效应时，波源的频率没有发生改变，波源与观察者之间相互靠近或相互远离时，观察者接收到的波的频率发生变化，即发生多普勒效应，而且机械波、电磁波和光波都会发生多普勒效应。故C错误，A、B、D正确。【例2】新型列车动车组速度可达487.3km/h，与该车汽笛声的音调相比。(1)站在车运动前方路旁的观察者听起来音调______(选填“偏高”或“偏低”)。站在车运动后方路旁的观察者听起来音调________(选填“偏离”或“偏低”)。(2)迎面来的另一列车上的乘客听起来音调怎样？此时列车汽笛声的音调变化了吗？(3)坐在新型列车动车组上的乘客听起来音调怎样？【答案】(1)偏高偏低(2)偏高不变(3)不变【解析】(1)站在车运动前方的观察者与列车在靠近，因此听起来音调偏高；站在车运动后方的观察者与列车在远离，因此听起来音调偏低。(2)迎面来的另一列车上的乘客听起来音调偏高，此时列车汽笛声的音调不变。(3)坐在新型列车动车组上的乘客与该列车的相对位置不变，故听起来音调不变。【例3】(多选)如图所示，男同学站立不动吹口哨，一位女同学坐在秋千上来回摆动，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，她感觉哨声音调变高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C点向右运动时，她感觉哨声音调不变D．女同学在C点向左运动时，她感觉哨声音调变低【答案】AD【解析】女同学荡秋千的过程中，她向右运动时，她与波源之间的距离变短，根据多普勒效应，她会感到哨声音调变高；反之女同学向左运动时，她会感到哨声音调变低，A、D正确，B、C错误。知识点02多普勒效应的应用1，原理：当两者相互远离时，观察者接收到的波的频率变小；当两者相互靠近时，观察者接收到的波的频率变大，但波源的频率不变。因此利用观察到频率的变化计算出波源的运动速度。(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，可得星球靠近或远离我们的速度.(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，彩超即利用此原理。2，多普勒效应的常见情况：相对位置图示结论波源S和观察者A相对静止不动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靠近波源，由A→B，则f波源<f观察者，音调变高；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【例4】公路巡警车在高速公路上以100km/h的恒定速度巡查，巡警车向前方在同一车道上的一辆轿车发出一束已知频率的电磁波，结果该电磁波被此辆轿车反射回来时，巡警车接收到的电磁波频率比发出时低。(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，则轿车是否超速？(3)若轿车以20m/s的速度行进，反射回的电磁波频率应怎样变化？【答案】(1)C(2)超速(3)变大【解析】(1)巡警车接收到的电磁波频率比发出时低，此现象为多普勒效应，故选C。(2)因巡警车接收到的电磁波频率比发出时低，由多普勒效应知巡警车与轿车在相互远离，而巡警车车速恒定又在后面，可判断轿车车速比巡警车车速大，故轿车超速。(3)若轿车以20m/s的速度行进，此时巡警车与轿车在相互靠近，由多普勒效应知反射回的电磁波频率应变大。【例5】(多选)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,则观察者接收到在A处发出声音的频率600Hz，在B处发出声音的频率600Hz，在C处发出声音的频率600Hz，在D处发出声音的频率600Hz。A.声源在A点时发出声音的频率大于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C点时发出声音的频率小于600HzE.声源在D点时发出声音的频率小于600Hz【答案】>,=,<,=【解析】A点接近观察者的趋势，故接受频率增加，C点有远离观察者的趋势，接受频率减小，声源在B、D两点的速度方向垂直O点与观察者的连线，因此不变。※知识点03几种特殊的多普勒现象1，音障：飞机速度接近声速时会使发动机发出的声波波面在飞机的前方堆积形成音障。2，艏波：当波源移动的速度接近介质中的波速。考考点题型题型01多普勒效应概念辨析1.如图所示是用发波水槽演示多普勒效应原理的实验照片，波源以固定频率振动并以恒定速度移动，质点A、B位于水波对称轴x轴上，下列说法中正确的是（

）（A）A处波速小于B处波速（B）A处波速大于B处波速（C）波源向x轴正方向运动（D）波源向x轴负方向运动【答案】D【详解】AB．机械波传播速度与介质有关，A、B位于同一介质，故波速相等，A、B错误；CD．在A点单位时间内接收到的波面比B点多，则在A点观察到的频率比在B点观察到的频率高，因此波源向x轴负方向运动，C错误D正确。题型02听到几次警报[归纳总结]周期性发生警报类似于波源的周期性振动，应用多普勒效应原理进行计算。先求解波前之间的实际距离d（类似于λ'），再求解波源和观察者相对运动的距离s，则警报次数n=s/d。【例5】一个报警器每1s发出一声警报，某人在速度为100m/s的高铁内向着报警器运动，假设声音传播速度为300m/s，问该人1min能听到几次警报？【答案】80次【解析】我们将该问题形象化一点，比如报警器发出警报犹如发射一个个小球，声音在空气中传播犹如小球在空气中运动，因为每1s发射一个小球，且根据小球在空气中运动的速度为300m/s，所以小球与小球之间的距离：d=300m/s*1s=300m小球如同一列队伍一样，保持间距为300米，以300m/s的速度前进，而人以100m/s的速度前进，根据相向运动的规律可知，人1min相对“小球队伍”走过的距离为：s=(300+100)×60s=24000m注意，小球与小球间距为300m，所以人1min能遇到的小球个数为：n=24000/300=80次即1分钟内能听到80次报警。※多普勒效应的公式推导靠近，分子+分母-，远离，分子-分母+题型03速度矢量分解分析多普勒效应[归纳总结]发生多普勒效应是波源和观察者发生相对运动，该相对运动是指沿波源和观察者连线方向的运动。如果速度不是沿连线，需要对速度做矢量分解。【例5】某人站在地面上某处，一架飞机由远而近从人的头顶上方匀速飞过，则人听到飞机发出声音的频率()A．越来越低 B．越来越高C．先变高后变低 D．先变低后变高【答案】A【解析】当飞机飞近人时，将飞机的速度分解，如图甲所示，飞机相对人的速度为v1＝vcosα，α越来越大，则v1越来越小，即人听到飞机声音的频率越来越低，但总是f听>f源。当飞机远离人时，将飞机的速度分解如图乙所示，飞机相对人的速度v3＝vcosα，α越来越小，则v3越来越大，即人听到飞机声音的频率越来越低，且都是f听<f源，故在飞机飞过头顶的过程中人听到的声音频率一直是越来越低，即A项正确。具体地说：当飞机到达头顶正上方之前，f听>f源；恰好在人头顶正上方时，f听＝f源；越过头顶正上方之后，f听<f源。【归纳总结】对多普勒效应的理解观察者听到的音调的高、低取决于他接收到的声波频率的大小。在声源发声频率不变的情况下，观察者接收到的频率的变化情况取决于两者之间是否有相对运动以及相对运动速度的方向和大小。巩巩固练习1.下列关于机械波的说法正确的是（）（A）发生多普勒效应时，波源的频率发生了变化（B）驱动力的频率越接近物体的固有频率时物体振动的振幅越大（C）波发生反射时，波的频率不变，但波长、波速发生变化（D）发生明显衍射的条件是障碍物的尺寸比波长大或差不多【答案】B【详解】A．发生多普勒效应时，波源频率并没有发生变化，A错误；B．驱动力的频率越接近物体的固有频率时物体振动的振幅越大，故B正确；C．波发生反射时在同一介质中，频率、波长和波速均不变，故C错误；D．波生明显衍射的条件是障碍物的尺寸比波长小或相差不多，故D错误。2.下列说法中错误的是（）（A）该图表示的是多普勒现象（B）此时波源正在向A观测者靠近（C）CD两位观测者此时接收到的频率和波源发出的频率相等（D）B观测者此时接收到的频率小于波源发出的频率【答案】C【详解】A．该图表示由波源移动而引起的多普勒效应，故A正确；B．观测者A在单位时间内接收到的完全波的个数最多，说明波源向A观测者靠近，故B正确；C．波源与CD观测者间的距离不断增大，故接收到的频率小于波源发出的频率，故C错误；D．波源与观测者B的距离不断增大，故观测者接收到的频率小于波源发出的频率，故D正确。3.如图所示，光滑水平细杆两端固定，小滑块与轻弹簧相连，并套在细杆上，轻弹簧左端固定；在小滑块上固定一个能持续发出单一频率声音的蜂鸣器。滑块与蜂鸣器静止时处于点，现将其拉到点由静止释放，滑块与蜂鸣器就沿着细杆在、之间振动起来。某同学站在右侧，耳朵正好在延长线上，滑块与蜂鸣器整体视为质点，则（）（A）该同学听到的蜂鸣器的声音是断断续续的（B）该同学听到的蜂鸣器振动时的声音总是比静止时音调高（C）如果增大滑块与蜂鸣器振动的振幅，其振动周期一定增大（D）滑块与蜂鸣器的振动可以视为简谐运动【答案】D【详解】AB．滑块与蜂鸣器沿着细杆在、之间振动时，该同学听到的蜂鸣器声音的音调忽高忽低，这是多普勒现象，故AB错误；CD．滑块与蜂鸣器的振动可以视为简谐运动，其周期与振幅无关，故C错误，D正确。4.下列关于机械振动和机械波的说法，正确的是（）（A）声源靠近观察者，观察者接受到的声波频率大于声源的频率（B）衍射是横波特有的现象，纵波不能发生衍射现象（C）固有频率为2Hz的振子在9Hz的驱动力作用下做受迫振动的振动频率为2Hz（D）两列相同频率的波的叠加区域内到两波波源距离之差为波长的整数倍的点一定是振动加强点【答案】A【详解】A．声源靠近观察者，根观察者接受到的声波频率大于声源的频率，故A正确；B．衍射是波特有的现象，一切波都能发生衍射现象，故B错误；C．固有频率为2Hz的振子在9Hz的驱动力作用下做受迫振动的振动频率为9Hz，故C错误；D．两列相同频率的波的叠加区域内到两波波源距离之差为波长的整数倍的点不一定是振动加强点，只有两列相同频率，相位差恒定，振动方向一致的波才能发生干涉现象，故D错误。5.多普勒效应在科学技术中有广泛的应用。下列说法错误的是（）（A）利用多普勒测速仪，可以测量水在海底的流速（B）“彩超”利用了多普勒效应（C）多普勒效应不能用于天体研究（D）波源与观察者相互靠近或者远离时，观察者接收到的波的频率会发生变化【答案】C【详解】A．利用多普勒测速仪，可以测量水在海底的流速，A正确，不符合题意；B．“彩超”的原理是向病人体内发射超声波，经血液反射后接收，测出反射波的频率变化，就可知血液的流速，这一技术利用了多普勒效应，B正确，不符合题意；C．多普勒效应可用于天体研究，C错误，符合题意；D．波源与观察者相互靠近或者远离时，观察者接收到的波的频率会发生变化，D正确，不符合题意；6.中国空间站持续发出频率为f的监测电波，地面监测站先后接收到空间站通过A、B位置时的信号频率分别为、，则（）（A） （B）（C） （D）【答案】A【详解】根据多普勒效应，空间站先后经过A、B位置，先靠近地面监测站后逐渐远离监测站，所以信号频率在靠近过程增大，在远离过程频率减小，因此：7.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电磁波，如果该电磁波被那辆轿车反射回来时，巡警车接收到的电磁波频率比发出时低，说明那辆轿车的车速()A．高于100km/h B．低于100km/hC．等于100km/h D．无法确定【答案】A【解析】因为巡警车(观察者)接收到的电磁波频率比发出时低，由多普勒效应知巡警车与轿车在相互远离，而巡警车车速恒定又在后面，可判定轿车车速比巡警车车速大，故选项A正确，B、C、D错误。8．频率一定的声源在空气中向着静止的接收器匀速运动。以u表示声源的速度，v表示声波的速度(u＜v)，f表示接收器接收到的频率。若u增大，则()A．f增大，v增大 B．f增大，v不变C．f不变，v增大 D．f减小，v不变【答案】B【解析】由于声波的速度只由介质决定，故v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，f增大，故B项正确。9．蝙蝠在洞穴中飞来飞去时，它利用超声脉冲导航非常有效，这种超声脉冲是持续1ms或不到1ms的短促发射，且每秒重复发射几次。假定蝙蝠的超声脉冲的发射频率为39000Hz，在一次正朝着表面平直的墙壁飞扑的期间，则下列判断正确的是()A．墙壁接收到的超声脉冲频率等于39000HzB．蝙蝠接收到从墙壁反射回来的超声脉冲频率等于墙壁接收的频率C．蝙蝠接收到从墙壁反射回来的超声脉冲频率大于墙壁接收的频率D．蝙蝠接收到从墙壁反射回来的超声脉冲频率等于39000Hz【答案】C【解析】由于蝙蝠向墙壁靠近，所以墙壁接收的频率大于39000Hz，蝙蝠接收到墙壁反射的频率也大于墙壁接收的频率。所以C正确。10．(多选)有两个静止的声源，分别发出声波1和声波2，在同一空间的空气中传播。如图所示为某时刻这两列波的波动图象。则下列说法正确的是()A．声波1的波速比声波2的波速大B．相对于同一障碍物，波1比波2的衍射现象更明显C．这两列波相遇时，不会产生干涉现象D．远离两个声源运动的观察者，听到这两列波的频率均比从声源发出的频率大【答案】BC【解析】两列声波在同一空间的空气中传播，波速大小相同，故A错误。声波1和声波2波长之比为λ1∶λ2＝2∶1，波长越长，相对于同一障碍物衍射现象越明显，故B正确。两波频率之比为f1∶f2＝1∶2；干涉的必要条件之一是频率相同，这两列波不会产生干涉现象，故C正确。观察者远离波源时，听到的声波频率比从声源发出的低，故D错误。11．轮船在进港途中的x­t图象如图所示，则在港口所测的轮船上雾笛发出声音的频率是下列选项中的()【答案】A【解析】由题中x­t图象可知，轮船靠近港口时的速度先减小后增大，可知测得的频率同样先减小后增大，故A正确．12．如图所示，人在距公路约50m的M处，一辆汽车以25m/s的速度从公路上匀速驶过，人听到的汽车的频率()A．一直是稳定的 B．变得越来越高C．变得越来越低 D．先变低后变高【答案】C【解析】如图所示，车相对人的速度为车匀速靠近时，θ变大，则v1变小，设汽车本身的频率为f，声音的传播速速为v，根据多普勒效应可知，人听到的汽车的频率为，判断可知，人听到的汽车的频率为在变低；当车与人的连线与车速方向垂直时，再向前运动则汽车背离人运动，车匀速远离时，此过程车相对人的速度为，θ变大，则v1变大，由于汽车远离人，人听到的汽车的频率为，判断可知，人听到的汽车的频率为在变低。故选C。13．正在报警的警钟每隔0.5s响一声，一个人正坐在以60km/h的速度向着警钟行驶的车中，已知声音在空气中的速度为330m/s，则这个人每分钟能听到几声警钟？【答案】126声【解析】首先根据题意，画出示意图(如图所示)．若人