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第十二章机械波5多普勒效应6惠更斯原理[学习目标]1.理解什么是多普勒效应．了解多普勒效应的应用．(重点)2.了解波面和波线的概念.3.掌握惠更斯原理，理解用惠更斯原理解释波的反射和折射现象．(难点)4.知道波反射和折射的规律．(重点)自主探新知预习一、多普勒效应及其应用1．多普勒效应由于波源与观察者之间有________，使观察者感到________的现象．相对运动频率改变2．多普勒效应产生的原因(1)波源与观察者相互靠近时，单位时间内通过观察者的波峰(或密部)的数目____，观察者观测到的频率____波源的频率，即观察到的频率____．(2)波源与观察者相互远离时，观察到的频率____．增加大于变大变小3．多普勒效应的应用(1)测量汽车速度交通警车向行进中的车辆发射____已知的超声波，同时测量______的频率，根据反射波________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____．然后与地球上这些元素____时发光的频率对照，可得星球的速度．频率反射波频率变化频率静止(3)测血液流速向人体内发射已知____的超声波，超声波被血管中的血液____后又被仪器接收，测出反射波的________，就能知道血流的速度．频率反射频率变化二、波面和波线惠更斯原理1．波面：在波的传播过程中，任一时刻________都相同的介质质点所组成的面．振动状态2．波线：与波面____指向________的直线，如图所示．3．波的分类(1)球面波：波面是____的波．(2)平面波：波面是____的波．垂直传播方向球面平面4．惠更斯原理(1)内容介质中任一波面上的各点，都可以看做发射子波的____，其后任意时刻，这些子波在波前进方向的______就是新的波面．(2)现象解释只能解释衍射现象中波的传播方向，不能解释波的____．无法说明衍射现象与狭缝或障碍物____的关系．波源包络面强度大小三、波的反射和折射1．反射现象波遇到介质界面会______继续传播的现象．2．折射现象波从一种介质____另一种介质时，波的____方向发生改变的现象．返回来射入传播1．思考判断(正确的打“√”，错误的打“×”)(1)当波源和观察者向同一个方向运动时，一定会发生多普勒效应．()(2)火车的音调越来越高，说明火车正从远处靠近观察者．()(3)波面一定与波线垂直．()(4)波的传播方向与波面平行．()(5)入射波的波线与界面的夹角叫入射角．()×√√××2．下面说法中正确的是()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E．多普勒效应是牛顿首先发现的BCD[当波源与观察者之间有相对运动时会发生多普勒效应，选项C正确；发生多普勒效应时，观察者接收到的频率发生了变化，而波源的频率并没有改变，故选项A错误，选项B正确；此现象是奥地利物理学家多普勒首先发现的，选项D正确．]3．下列说法中正确的是()A．惠更斯原理能解释波的衍射现象B．声波是球面波C．只有横波才能形成球面波D．只有纵波才能形成球面波E．横波和纵波都能形成球面波[答案]ABE合作攻重难探究多普勒效应及其应用1．多普勒效应的成因发生多普勒效应时，一定是由于波源与观察者之间发生了相对运动．2．相对位置变化与频率的关系(规律)相对位置图示结论波源S和观察者A相对静止，如图所示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，如图所示若靠近波源，由A→B，则f波源＜f观察者，音调变高；若远离波源，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→S2，如图所示f波源＜f观察者，音调变高【例1】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超声波，结果该超声波被那辆轿车反射回来时，巡警车接收到的超声波频率比发出的低．(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，则该轿车是否超速？(3)若该轿车以20m/s的速度行进，反射回的频率应怎样变化？[解析](1)巡警车接收到的超声波频率比发出的低，此现象为多普勒效应，选项C正确．(2)因巡警车接收到的频率低，由多普勒效应知巡警车与轿车在相互远离，而巡警车车速恒定且在后面，可判断轿车车速比巡警车车速大，故该轿车超速．(3)若该轿车以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频率应偏高．[答案](1)C(2)见解析(3)见解析多普勒效应的判断方法(1)确定研究对象．(波源与观察者)(2)确定波源与观察者是否有相对运动．若有相对运动，能发生多普勒效应，否则不发生．(3)判断：当两者远离时，观察者接收到的波的频率变小，靠近时观察者接收到的波的频率变大，但波源的频率不变．1．假如一辆汽车在静止时喇叭发出声音的频率是300Hz，在汽车向你驶来又擦身而过的过程中，当汽车向你驶来时，听到喇叭声音的频率________于300Hz，当汽车和你擦身而过后，听到喇叭声音的频率________于300Hz.[解析]当汽车向你驶来时，两者距离减小，你单位时间内接收的声波个数增多，频率升高，将大于300Hz；当汽车和你擦身而过后，两者距离变大，你单位时间内接收的声波个数减少，频率降低，将小于300Hz.[答案]大小波面和波线惠更斯原理1．惠更斯原理的实质：波面上的每一点(面源)都是一个次级球面波的子波源，子波的波速与频率等于初级波的波速和频率，此后每一时刻的子波波面的包络面就是该时刻总的波动的波面．其核心思想是介质中任一处的波动状态是由各处的波动决定的．2．利用惠更斯原理解释波的传播：如图(1)所示，以O为球心的球面波在时刻t的波面为γ，按照惠更斯原理，γ面上每个点都是子波的波源．设各个方向的波速都是v，在Δt时间之后各子波的波面如图中一个个的小圆所示，它的半径是vΔt.γ′是这些子波波面的包络面，它就是原来球面波的波面γ在时间Δt后的新位置．可以看出，新的波面仍是一个球面，它与原来球面的半径之差为vΔt，表示波向前传播了vΔt的距离．图(1)图(2)与此类似，可以用惠更斯原理说明平面波的传播，如图(2)所示．3．惠更斯原理的局限性：光的直线传播、反射、折射等都能用此来进行较好地解释．但是，惠更斯原理是比较粗糙的，用它不能解释衍射现象与狭缝或障碍物大小的关系，而且由惠更斯原理推知有倒退波的存在，而倒退波显然是不存在的．【例2】下列叙述正确的是()A．空间点波源发出的球面波，其波面是一个球面，波线就是以波源为圆心的同心圆B．同一振源的不同波面上的质点的振动情况可能相同C．平面波的波线是一条直线，其波线相互平行D．根据惠更斯原理，波面各点都可看作一个子波源，子波前进的方向的包络面就是该时刻的波面E．利用惠更斯原理，只要知道t时刻波面的位置和波速，就可确定t＋Δt时刻波面的位置CDE[球面波的波线沿球面的半径方向，故选项A错误；波面是由振动情况完全相同的点构成的面(或线)，而不同波面上质点的相位不同，故B错误，平面波的波线是一条直线，由于波线与波面垂直，故平面波的波线相互平行，故选项C正确；由惠更斯原理可知，故选项D正确；利用惠更斯原理，只要知道t时刻波面的位置和波速，就可确定另一时刻的波面的位置，故选项E正确．]利用惠更斯原理解释波的传播的一般步骤(1)确定一列波某时刻一个波面的位置．(2)在波面上取两点或多个点作为子波的波源．(3)选一段时间Δt.(4)根据波速确定Δt时间后子波波面的位置．(5)确定子波在波前进方向上的包络面，即为新的波面．(6)由新的波面可确定波线及其方向．2．下列说法中正确的是()A．只有平面波的波面才与波线垂直B．任何波的波线与波面都相互垂直C．任何波的波线都表示波的传播方向D．有些波的波面表示波的传播方向E．子波的波速与频率等于初级波的波速和频率BCE[不管是平面波，还是球面波，其波面与波线均垂直，选项A错误，B正确；只有波线才表示波的传播方向，选项C正确，D错误；波面上的每一点(面源)都是一个次级球面波的子波源，子波的波速与频率等于初级波的波速和频率，E对．]三、波的反射和折射1．回声测距(1)当声源不动时，声波遇到了静止障碍物会返回来继续传播，由于反射波与入射波在同一介质中传播速度相同，因此，入射波和反射波在传播距离一样的情况下，用的时间相等，设经过时间t听到回声，则声源距障碍物的距离为s＝v声t2.(2)当声源以速度v向静止的障碍物运动或障碍物以速度v向静止的声源运动时，声源发声时障碍物到声源的距离为s＝(v声＋v)t2.(3)当声源以速度v远离静止的障碍物或障碍物以速度v远离静止的声源时，声源发声时障碍物到声源的距离s＝(v声－v)t2.2．超声波定位蝙蝠、海豚能发出超声波，超声波遇到障碍物或捕食目标时会被反射回来．蝙蝠、海豚就是根据接收到反射回来的超声波来确定障碍物或食物的位置，从而确定飞行或游动方向．3．波的反射、折射现象中各量的变化(1)频率(f)由波源决定：故无论是反射波还是折射波都与入射波的频率相等，即波源的振动频率相同．(2)波速(v)由介质决定：故反射波与入射波在同一介质中传播，波速不变，折射波与入射波在不同介质中传播，波速变化．(3)据v＝λf知，波长λ与波速和频率有关．反射波与入射波，频率同、波速同，故波长相同，折射波与入射波在不同介质中传播，频率同，波速不同，故波长不同．具体见下表所示．波现象波的反射波的折射传播方向改变，θ反＝θ入改变，θ折≠θ入频率f不变不变波速v不变改变波长λ不变改变【例3】某物体发出的声音在空气中的波长为1m，波速为340m/s，在海水中的波长为4.5m.(1)该波的频率为________Hz，在海水中的波速为________m/s.(2)若物体在海面上发出的声音经过0.5s听到回声，则海水深为多少？(3)若物体以5m/s的速度由海面向海底运动，则经过多长时间听到回声？[解析](1)由f＝vλ得f＝3401Hz＝340Hz，因波的频率不变，则在海水中的波速为v海＝λ′f＝4.5×340m/s＝1530m/s.(2)入射声波和反射声波用时相同，则海水深为h＝v海t2＝1530×0.52m＝382.5m.(3)物体与声音运动的过程示意图如图所示，设听到回声的时间为t′，则v物t′＋v海t′＝2h代入数据解得t′＝0.498s[答案](1)3401530(2)382.5m(3)0.498s回声测距的方法技巧利用回声测距是波的反射的一个重要应用，它的特点是声源正对障碍物，声源发出的声波与回声在同一条直线上传播．(1)若是一般情况下的反射，反射波和入射波是遵从反射定律的，可用反射定律作图后再求解．(2)利用回声测距时，要特别注意声源是否运动，若声源运动，声源发出的原声至障碍物再返回至声源的这段时间与声源的运动时间相同．(3)解决波的反射问题，关键是根据物理情景规范作出几何图形，然后利用几何知识结合物理规律进行解题．3．有一辆汽车以15m/s的速度匀速行驶，在其正前方有一陡峭山崖，汽车鸣笛2s后司机听到回声，此时汽车距山崖的距离有多远？(v声＝340m/s)[解析]汽车匀速行驶，速度为v车＝15m/s，声音在空气中传播速度不变．汽车从发出笛声到接收到笛声，二者运动时间相同．如图所示．设汽车在A点发出笛声，A点到山崖B的距离为x1，汽车运动到C点接收到笛声，设AC距离为x2，CB距离为x，因二者运动时间相同，则有x1＝x2＋x①x1＋x＝v声·t＝340m/s·t②x2＝v车·t＝15m/s·t③联立①②③得x＝325m.[答案]325m课堂小结知识脉络1.定性解释多普勒效应产生的原因．2．常见的多普勒效应现象及应用．3．波面和波线、惠更斯原理．4．运用惠更斯原理解释波的反射和折射现象.