《多普勒效应》教学设计

2014-01-24苏立乾

教育教学论坛 2014年25期

关键词：波源观察者音调

苏立乾

（河北衡水中学，河北衡水 053000）

《多普勒效应》教学设计

苏立乾

（河北衡水中学，河北衡水 053000）

【教学说明】

本课采用人民教育出版社《物理》选修3-4教材，对第十二章第五节“多普勒效应”进行了如下设计，学生尽管学习了机械波的产生、传播的基本规律，但关于多普勒效应学生尚缺乏相应的感性认识，而且这部分知识是比前面所学基础知识稍深一层的具有综合性的波的现象，学生学习中是具有相当大的难度。教学中没有必要给出多普勒效应中接收者接收到的频率公式，以免增加学生学习的心理负担和理解难度。笔者按照学生的认知规律，设计力求落实新课标的理念，从实验现象激发学生兴趣引出课题，使学生感受奇妙的物理现象。从学生身边的现象出发，通过实验以及多媒体演示，为学生认识多普勒效应提供充分的感性素材，为进一步探究产生的原因奠定基础，研究如何才能发生多普勒效应，借助“模拟实验”让学生在参与中借助动画投影把抽象的现象变成直观的感受，更好地理解多普勒效应的发生原因。分析产生原因时应做好基础铺垫，充分利用教材上的插图，让学生逐步理解。探究完多普勒效应中观察音调高低的问题后，前后照应让学生解决引入实验的问题，最后回归生活，让学生知道多普勒效应在生活中的应用，提供了一些具体的学生易于理解的案例，巩固和深化了多普勒效应产生的原因，让学生感受物理学研究的成就，培养学生的科学素养。

【教学目标】

1.知识与技能。①知道什么是多普勒效应，知道波源的频率与观察者接收到的频率的区别。②知道多普勒效应是在波源与观察者之间有相对运动时产生的现象。③了解一些多普勒效应的应用实例。

2.过程与方法。①通过实验感受多普勒效应，培养学生观察、分析和归纳的能力；②解释多普勒效应产生的原因，培养学生的空间想象能力和思维能力。

3.情感、态度与价值观。①感受奇妙的物理现象，感受人类超凡的认识能力；②了解人类利用多普勒效应所开发的技术应用，感受物理学研究的成就。

【教学重点、难点】

1.重点。认识多普勒效应及多普勒效应产生的原因。

2.难点。学生对相关的背景知识缺乏感性认识，应重视感性素材的展现。

【教学仪器】

蜂鸣器、不同的玩具电子琴两个、多媒体投影。

【教学过程】

一、感受多普勒效应

引入课题：演示实验。教师拿“蜂鸣器”从左向右大幅度晃动，让学生注意“听”和“看”，听到声音有什么变化，分别提问最左侧和最右侧的两名学生，他们回答的结果完全相反，左侧听到音调变得低沉，右侧的学生听到的音调变高，怎么会出现这样的情况呢？到底谁说的对呢？学完了本节内容——“多普勒效应”，你就知道了。

知识储备：（提问）

1.描述声音的三个要素是什么？答：音调、音色、音量。学生演示：拿一个玩具电子琴，从第一个键依次按下去，提问学生听到的声音是什么不同？答：音调。再按两个电子琴的同一个音标比较，提问学生听到声音什么不同？答：音色

2.音量、音调各由什么决定？是振幅、频率、还是波长？答：音调由振幅决定，音调由频率决定。

3.提问：从表格中你看出什么来了？（音调与频率有何关系）

答：音调的高低与频率（振动的快慢）有关。音调高，振动频率快；音调低，振动频率慢。

多普勒现象：播放视频：看火车靠近观察者的录像。问题1：注意听声音除音量大小以外的变化？答：火车靠近时，听到音调变高，远离时音调变低。问题2：是火车的频率发生了变化吗？答：不是。问题3：由于什么导致了路边的人听到音调的变化？提示：想象一下如果你坐在鸣着笛的火车上会感觉到音调变化吗，为什么？答：坐在鸣笛的火车上不会听到音调变化，因为观察者与声源相对静止。如果观察者站在路边，火车相对我们是运动的，听到了音调的变化。教师总结：1842年，奥地利物理学家多普勒发现，若波源或观察者或它们两者均相对介质运动，那么观察者感觉到的频率和波源的真实频率一般并不相同，这种现象称为多普勒效应。火车进站，笛声较高，火车出站，笛声较低，就是这种现象。板书：由于波源和观察者之间的相对运动，使观察者感到频率发生变化的现象叫多普勒效应。提问：你能举出其他生活中有关多普勒的例子吗？如其他交通工具。

二、分析探究

1.先了解两个基本概念：（1）波源的频率：单位时间波源发出完全波的个数；（2）观察者接收到的频率：观察者在单位时间内接收到的完全波的个数。

2.研究过程。情景1：观察者、波源都静止。猜想:观察者接收的频率是否等于波源的频率？（等于）让学生观察动画验证猜想。情景2：观察者、波源相对运动。

环节1：

提问：对于波源或观察者的运动，分成几类情况？

答：类型1：波源静止而观察者运动。类型2：观察者静止而波源运动。类型3：波源与观察者都在运动。

环节2：模拟实验（见下页）。

让20个人排成一队匀速走动，甲图中让班长站在队伍旁边，每经过一个人报一个数，乙图中班长与队伍反向走动时报数频率，丙图中班长以小于队伍的速度与队伍同向走动时报数。问题：乙图“过人频率”比甲图大还是小？丙图呢？学生回答：乙图过人频率比甲图大，丙图比甲图小。

环节3：

类型1：波源静止而观察者运动。

（1）观察者靠近波源。猜测接受的频率比波源的频率大还是小？学生回答：接受的频率比波源的频率大。观察动画，可得到什么结论？结论：观察者在单位时间内接收到的完全波的个数增多，即接收到的频率变大。

（2）观察者远离波源。猜测：接受的频率比波源的频率大还是小？学生回答：接受的频率比波源的频率小。观察动画，可得到什么结论。结论：观察者在单位时间内接收到的完全波的个数较少，即接收到的频率变小。

类型2：观察者静止而波源运动。

猜想：当波源移动时，波变成了什么样子？学生回答：波运动的一侧波密集，反方向稀疏。

观察“水波振源移动”的录像。猜测：接受的频率比波源的频率大还是小？学生回答：如右图所示观察者站在A点波源靠近，接收的频率变大，观察者站在B点接受的频率变小。观察动画，验证猜想的正确性。

总结：当波源运动时，靠近观察者的一侧波长变小，接受的频率小于波源频率，远离波源的一侧波长变大，接受的频率小于波源频率。

环节4：同桌讨论究竟运动和频率的关系如何？填表格。

问题1：用最精练的一句话总结一下上表中得到的规律。答：波源与观察者相互靠近时，观察者接收到的频率大于波源发出的频率；波源与观察者相互远离时，观察者接收到的频率小于波源发出的频率。问题2：如果波源和观察者都运动，怎样使听到频率大于波源频率？答：波源和观察者相向运动或同向运动时，波源（观察者）在后速度大于观察者（波源）在前的速度。

总结规律：

（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了改变（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了改变（波的速度不变）。

注意：

（1）在多普勒效应中，波源的频率是不改变的，只是由于波源和观察者之间有相对运动，观察者感到频率发生了变化。

（2）多普勒效应是波动过程共有的特征，不仅机械波，电磁波和光波也会发生多普勒效应。

环节5：解释引入新课的演示实验。

教师拿“蜂鸣器”从左向右大幅度晃动时，为什么左侧听到音调变得低沉，右侧的学生听到的音调变高，怎么会出现这样的情况呢？到底谁说的对呢？重新演示一遍。答：说得都对，左侧同学是声源远离观察者听到音调变低，波源靠近右侧同学时他听到音调变高。教师手拿“蜂鸣器”让他在上空中盘旋时，听到音调忽高忽低，让学生体会。

三、多普勒效应的应用

提问：生活中有哪些有关多普勒效应的应用？回答：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。让学生从生活中看看还有哪些应用。5分钟后让学生回答。

1.交通管理。多普勒测速仪。提问：多普勒测速仪是什么原理？答：交通警车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。警察静止在路边检测时，频率比发出的大，说明车在靠近，增加得越多，车速越大，如果接收到的频率比发出的频率小，说明车在远离，小的越多，远离得越快。如果警车是移动的呢，怎样知道是否超速？警车以限定速度与被测车辆同向行驶，发现接受到的频率比发出的频率大了，超没超速？答：没超速。类似的原理还有：多普勒水流测速仪。

2.医学。多普勒彩超。在医学上，医生向人体内发射频率已知的超声波，超声波被血管中流动的血流反射后又被仪器接收，测出反射波的频率的变化，就能知道血液的流动速度，这种方法称“彩超”，可以检查心脏、大脑和眼底血管的病变。

3.气象学。可以测大气的运动速度，探测灵敏度高，探测能量增强。

4.天文学。在20世纪初，科学家们发现许多星系的谱线有“红移现象”，所谓“红移现象”，就是整个光谱结构向光谱红色的一端偏移，这种现象可以用多普勒效应加以解释：由于星系远离我们运动，接收到的星光的频率变小，谱线就向频率变小（即波长变大）的红端移动。科学家从红移的大小还可以算出这种远离运动的速度。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。这种现象，是证明宇宙在膨胀的一个有力证据。

5.军事应用。上世纪70年代以来又出现了多普勒导航系统与其他机载电子系统相结合的多功能航空综合系统。多普勒导航系统是利用多普勒效应测定多普勒频移，从而计算出飞机当时的速度和位置来进行导航（见无线电导航）。飞机因侧风而偏航时，多普勒雷达还用于测量偏流角的数值并对航向进行修正。多普勒导航系统的优点是：无需地面设备配合工作；不受地区和气候条件的限制；飞机速度和偏流角的测量精度高。缺点是：飞机姿态超过限度时，多普勒雷达因收不到回波而不能工作；定位误差随时间推移而增加；多普勒雷达的工作与反射面状况有关。