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4.4 多普勒效应

机械波及其传播规律 · 高二
先确认一下:这一关能不能学
上面这几节是它的地基 —— 没通的话,补完再回来,比硬啃快得多。
讲清楚它是什么

定义 波源与观察者相对运动时,观察者接收到的频率与波源频率不相等的现象。

从哪来 基于 4.2 周期公式($T=1/f$)理解频率与周期的倒数关系,以及 2.3 简谐运动的图像中波形的空间分布特征,推导相对运动对波长的压缩或拉伸影响。

为什么 波在介质中的传播速度 $v$ 由介质决定,保持不变。当波源向观察者运动时,波源在发出下一个波峰之前已经向前移动了一段距离,导致相邻两个波峰之间的距离(波长 $\lambda$)变短。根据 $v = \lambda f$,由于 $v$ 不变,$\lambda$ 变小,则观察者接收到的频率 $f_{obs}$ 变大(音调变高)。反之,若波源远离,波长变长,接收频率变小。本质是相对运动改变了波在空间上的堆积密度。

讲法
类比法:跑步与扔球 适合形象思维强、对抽象公式恐惧的学生。 想象你在跑步时向前扔球。如果你静止,每隔1秒扔一个,球间距固定。如果你向前跑,第一个球刚扔出,你向前跑了一段距离再扔第二个,两个球之间的距离就变近了(波长变短)。接球的人发现球来得更频繁(频率变高)。反之,如果你向后跑,球间距变大,接球频率变低。
讲法
公式推导法:波速不变原理 适合逻辑严密、擅长数学推导的学生。 设波源频率为 $f_s$,波速为 $v$。 1. 波源静止时,波长 $\lambda_0 = v/f_s$。 2. 波源以速度 $v_s$ 向观察者运动。在一个周期 $T_s = 1/f_s$ 内,波源前进距离 $v_s T_s$。 3. 此时发出的波峰与上一个波峰的距离(新波长)$\lambda' = v T_s - v_s T_s = (v - v_s)/f_s$。 4. 观察者接收到的频率 $f_{obs} = v / \lambda' = v / [(v - v_s)/f_s] = f_s \cdot \frac{v}{v - v_s}$。 因为 $v > v - v_s$,所以 $f_{obs} > f_s$。此方法清晰展示了变量间的因果链条。
讲法
生活实例法:救护车与火车 适合感性认知、需要建立物理与生活联系的学生。 回忆救护车鸣笛驶过身边的声音变化:靠近时音调尖锐(高频),远离时音调低沉(低频)。再听火车鸣笛,火车头先经过,声音高亢;车尾经过时,声音低沉。强调“靠近=压缩=高频”,“远离=拉伸=低频”。让学生闭眼想象声波像手风琴一样被挤压或拉开。
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练一道
基础题
一列声波在空气中传播,波速 $v=340\,\text{m/s}$。波源频率 $f_s=1000\,\text{Hz}$。若波源以 $v_s=34\,\text{m/s}$ 的速度向静止的观察者运动,求观察者接收到的频率 $f_{obs}$。
变式
同上条件,若观察者以 $v_o=34\,\text{m/s}$ 的速度向静止的波源运动,求观察者接收到的频率 $f_{obs}'$。并比较两种情况下的频率大小。
试试手自己判
检测题
一列机械波在介质中传播,波速为 $v$。波源频率为 $f$。若波源以速度 $v_s$ 向观察者运动,观察者接收到的频率为 $f_1$;若观察者以相同速度 $v_s$ 向波源运动,接收到的频率为 $f_2$。已知 $v_s < v$,则 $f_1$ 与 $f_2$ 的大小关系是? A. $f_1 = f_2$ B. $f_1 > f_2$ C. $f_1 < f_2$ D. 无法确定
看答案和判分标准
答案:B
判对标准:
学生能正确选择 B,并能口头或书面解释:波源运动改变了波长($\lambda' = (v-v_s)/f$),导致频率增加幅度更大;观察者运动仅改变了相对速度($v+v_s$),导致频率增加幅度较小。若学生仅凭“相对速度相同”而选 A,则判定为未掌握核心区别。
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