高中物理选修3-4 多普勒效应

多普勒效应
1、当波源与观察者有相对运动时，如果二 者相互接近，观察者接收到的频率增大； 如果二者相互远离，观察者接收到的频率 减小。 2、在观察者运动的情况下，引起观察者接 收频率的改变，是由于观测到的波的速度发 生改变（波的波长不变）。 3、在波源运动的情况下，引起观察者接 收频率的改变，是由于观测到的波的波长 发生改变（波的速度不变）。
2、次声波的应用：通过次声波探知几千千米外的 核武器试验和导弹的发射，或预报破坏性很大的 海啸、台风。
3、次声波对人体的影响
1）次声波1-3Hz：可以使人产生恐惧，地震前动物的不安， 也是这个频率的次声波引起； 2）次声波3-6Hz：能使人精神失常，失去理智； 3）次声波8-12Hz：可以使人思维集中，增强记忆力； 4）太强的次声波将使人感到烦躁、耳鸣、头痛、恶心和心 悸，人的晕船和晕车就是由于机械振动、空气和海浪摩擦 发生的次声波引起；特别强的次声波还会使人四肢麻木、 耳聋、鼻孔出血、内脏破裂，直至死亡。
⑵当火车驶去时,站在铁道旁的观察者听到的笛
声频率是多少？ 260Hz
6、一个观察者在铁路附近，当火车驶近时，他听 到的汽笛声频率为f1=440Hz，当火车驶远时，他源自文库 到的频率为f2=392Hz，在大气中声音速度为
330m/s，求火车的速度？ 19m/s
课后练习
7、图A是在高速公路上用超声波测速仪测量车速的示意 图，测速仪发出并接收超声波脉冲信号，根据发出和接 收到的信号间的时间差，测出被测物体的速度.图B中p1、 p2是测速仪发出的超声波信号，n1、n2分别是p1、p2由汽 车反射回来的信号.设测速仪匀速扫描，p1、p2之间的时 间间隔△t=1.0s，超声波在空气中传播的速度是
N （v+v1）t

接收频率为：
f接＝
N t

v+v1 λ
=
v+v1 ＝(1 v f源
v1 v
)f源
观察者静止，波源朝观察者以速度v2接近
由前面的实验知道此时波源的波长为 v2T ，波的传播速度为ν，则在时间 t 内，观察者 接收到的完全波的个数为：
N vt vt vt vt f
思考与讨论
当奔驰的列车向你驶来，并经过你的身 旁，而后又离开你驶向远方，在这一过程中， 你有没有注意到你耳朵中听到的列车的鸣笛 声有什么特殊的现象？
生活中的特殊现象
列车靠近时，鸣笛声越来越尖锐；列车远离 时，鸣笛声越来越低吟。是不是列车的扩音器的频 率本身发生了变化？
生活中的特殊现象
汽车驶近时，行驶的声音越来越尖锐；汽车 远离时，行驶的声音越来越低吟。是不是汽车行驶 的声音的频率本身也发生了变化？
应用4、临床上应用：彩色多普勒超声诊断系统
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。
多普勒效应的应用
应用5、军事应用(E-3“望楼” 预警机) 脉冲多普勒雷达，多谱勒导航仪
v=340m/s，若汽车是匀速行驶的，则根据图B可知，汽
车在17接收m到，p汽1、车p的2两速个度信是号_1_之7__.间_9_的_ 时间内前m进/s的。距离是
观察者与波源都静止
设波源的波长为λ，波的传播速度为ν，则在时 间 t 内，观察者接收到的完全波的个数为：
N vt

接收频率为：
f接＝
N t

v λ
＝f源
波源静止，观察者朝波源以速度v1接近
由前面的实验知道此时波源的波长仍为λ，波 的传播速度为ν，则在时间 t 内，观察者接收 到的完全波的个数为：
多普勒效应的成因
1、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。 2、观察者听到的声音的音调，是观察者接收 到的频率，即单位时间内接收到的完全波的 个数。 3、由于相对运动，声 源的频率没有变化， 而是观察者接收到的 频率发生了变化。
多普勒效应的应用
应用2、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。
应用3、用多普勒效应测量其它星系向着还是远离地 球运动的速率。
宇宙中的星球都在不停地运动．测量星球上某些元素 发出的光波的频率，然后跟地球上这些元素静止时发光的 频率对照，就可以算出星球靠近或远离我们的速度。
课后练习
1、关于多普勒效应，下列说法正确的是（ C ） A．多普勒效应是由于波的干涉引起的 B．多普勒效应说明波源的频率发生改变 C．多普勒效应是由于波源与观察者之间
有相对运动而产生的 D．只有声波才可以产生多普勒效应
2、当火车进站鸣笛时，我们可听到的声调（ A ）
A．变高
B．不变高 C．越来越沉
超声波
应用2、超声波雾化器：超声波 还可以把药物击碎成微粒和空 气混合形成“药雾”，病人吸 入后，可以治疗肺部和气管类 疾病，如咽喉炎和气管炎。 应用3、治疗各种结石疾病：利用超声波的巨大能量 还可以把人体内的结石击碎。
应用4、按摩疗效：利用超声波作用于人体时。机 体细胞受到振荡和刺激，可起按摩作用，治疗神经 痛等疾患。 应用5、用超声波消毒灭菌也是有效的。例如用超声 波来给牛奶消毒，效果良好，而且能避免煮沸法对 营养成分的破坏
仿生学
1、很多动物都有完善的发射和 接收超声波的器官。以昆虫为 食的蝙蝠，视觉很差，飞行中 不断发出超声波的脉冲，依靠 昆虫身体的反射波来发现食物。 海豚也有完善的“声呐”系统， 使它能在混浊的水中准确地确 定远处小鱼的位置。
2、现代的无线电定位器——雷达，质量有几十、几百、几千 千克，蝙蝠的超声定位系统只有几分之一克，而在一些重要 性能上，如确定目标方位的精确度、抗干扰的能力等都远优 于现代的无线电定位器。深入研究动物身上各种器官的功能 和构造，将获得的知识用来改进现有的设备和创制新的设备， 这就是近几十年来发展起来的一门新学科——仿生学。
v2T v v2 v v2
ff
接收频率为：
f
接＝
N t
v v v2
f
多普勒效应中观测频率的计算
1、波源不动，观察者相对波源运动
1）观察者朝波源运动
f测

v波 v人
波

(1

v人 v波
)
f波
2）观察者离波源运动
f测

v波 v人
波

(1

v人 v波
)
f波
2、观察者不动，波源相对观察者运动
超声波
应用6、超声波探伤：由于超声波的穿透能力很强， 可以制成超声波探伤仪，用来探查金属、陶瓷、混 凝土制品，甚至水库大坝，检查内部是否有气泡、 空洞和裂纹等缺陷。
超声波
应用7、B超：就是利用超声波的发射，来探查人体 内部的各种器官、组织等有无异常，还可以确定肿 瘤的有无、位置和大小等等．
超声波
科学漫步
1、可闻声波： 人耳能听到的声波，其 频率范围大致在20Hz-20000Hz之间。
波长：17m -17mm
2、次声波：频率低于20Hz的声波。不 能引起人类听觉器官的感觉。
3、超声波：频率高于20000Hz的声波。 不能引起人类听觉器官的感觉。
次声波
1、次声波的特点：次声波由于频率小,故波长较 长,易发生衍射,传播距离较远。
注意：频率由声源决定，实际频率并没有变化。
多普勒效应实验
多普勒效应模拟
v测=0 v测
v测
1、观察者静止不动， 数经过的队伍中的人 数，每分钟假设有30 个人经过。
2、当观察者逆着队伍 行走时，数经过的队 伍中的人数，每分钟 将大于30个人经过。
3、当观察者与队伍同向 行走且速度比队伍的小 时，数经过的队伍中的 人数，每分钟将小于30 个人经过。
生活中的特殊现象
飞机飞近时，轰鸣声越来越尖锐；飞机飞远 时，轰鸣声越来嘶哑。是不是飞机的轰鸣声的频率 本身也发生了变化？
多普勒效应(Doppler effect)
1、现象(1842年发现)：当汽 车向你驶来时，感觉音调变高； 当汽车离你远去时，感觉音调 变低。 2、音调：由频率决定，频率 越高音调越高，频率越低音 调越低。 3、多普勒效应：由于波源和观察者之间有相 对运动，使观察者感到频率变化的现象叫做 多普勒效应。
应用8、利用超声波清洗污垢：金属零件、玻璃和陶 瓷制品的除垢是件麻烦事，但如果在放有这些物品 的清洗液中通入超声波，清洗液的剧烈振动冲击物 品上的污垢，能够很快清洗干净。
应用9、声呐：超声波在水中传播 的距离要比光波和无线电波远得多。 水声测位仪就是根据超声波的这种 特性制成的装置，这种装置既能发 出短促的超声波脉冲．又能接收被 潜艇、鱼群或海底反射回来的超声 波，根据反射波滞后的时间和波速， 就可以确定潜艇、鱼群的位置或海 水深度
的波比无线电的微波（ D ）
A、速度快，方向性好
B、频率高，抗干扰能力强
C、波长小，传播距离远
D、在介质中衰减小，传播距离远
课后练习
5、以速度u=20m/s奔驰的火车,鸣笛声频率为 275Hz,已知常温下空气中的声速v=340m/s。 ⑴当火车驶来时,站在铁道旁的观察者听到的笛
声频率是多少？ 292Hz
超声波
1、超声波的能量很大：理论研究表明，在振幅相同 的情况下，一个物体的振动能量跟振动频率的二次 方成正比。超声波的频率很高，因而能量很大。
2、超声波沿直线传播：因为超声波的波长很短， 不易绕过障碍物发生明显的衍射现象，故超声波基 本上沿直线传播。
应用1、 超声波加湿器的基本 原理：利用超声波的剧烈振动 可以把普通水“打碎”成直径 仅为几微米的小水珠，变成雾 气喷散到房间的空气中，增大 房间中空气的湿度
D．不知声速和火车车速，不能判断
课后练习
3、下列说法正确的是(在空气中传播)（ BD ）
A、超声波的传播速度大于次声波的传播速度 B、超声波的传播速度等于次声波的传播速度 C、蝙蝠有发达的视觉 D、蝙蝠有很完善的发射和接收超声波的器官
课后练习 4、海豚具有完善的发射和接收超声波器官， 在一些重要性能上，如确定方位的灵敏度， 都远远优于现代的无线电定位系统，它发射
1）波源朝观察者运动
f测

波
v波 v源T波

v波 f波 v波 v源
2）波源离观察者运动
f测

v波
波 v源T波

v波 f波 v波 v源
多普勒效应的应用
多普勒效应是波动过程共有的特征，一切 波（如电磁波和光波）都能发生多普勒效应。
应用1、雷达测速仪： 交通警察向行进中的 汽车发射一个已知频 率的电磁波（通常是 红外线），波被运动 的汽车反射回来时， 接收到的频率发生变 化，由此可指示汽车 的速度。