《多普勒效應》教學設計

蘇立乾

（河北衡水中學，河北 衡水 053000）

《多普勒效應》教學設計

蘇立乾

（河北衡水中學，河北 衡水 053000）

【教學說明】

本課采用人民教育出版社《物理》選修3-4教材，對第十二章第五節(jié)“多普勒效應”進行了如下設計，學生盡管學習了機械波的產(chǎn)生、傳播的基本規(guī)律，但關于多普勒效應學生尚缺乏相應的感性認識，而且這部分知識是比前面所學基礎知識稍深一層的具有綜合性的波的現(xiàn)象，學生學習中是具有相當大的難度。教學中沒有必要給出多普勒效應中接收者接收到的頻率公式，以免增加學生學習的心理負擔和理解難度。筆者按照學生的認知規(guī)律，設計力求落實新課標的理念，從實驗現(xiàn)象激發(fā)學生興趣引出課題，使學生感受奇妙的物理現(xiàn)象。從學生身邊的現(xiàn)象出發(fā)，通過實驗以及多媒體演示，為學生認識多普勒效應提供充分的感性素材，為進一步探究產(chǎn)生的原因奠定基礎，研究如何才能發(fā)生多普勒效應，借助“模擬實驗”讓學生在參與中借助動畫投影把抽象的現(xiàn)象變成直觀的感受，更好地理解多普勒效應的發(fā)生原因。分析產(chǎn)生原因時應做好基礎鋪墊，充分利用教材上的插圖，讓學生逐步理解。探究完多普勒效應中觀察音調高低的問題后，前后照應讓學生解決引入實驗的問題，最后回歸生活，讓學生知道多普勒效應在生活中的應用，提供了一些具體的學生易于理解的案例，鞏固和深化了多普勒效應產(chǎn)生的原因，讓學生感受物理學研究的成就，培養(yǎng)學生的科學素養(yǎng)。

【教學目標】

1.知識與技能。①知道什么是多普勒效應，知道波源的頻率與觀察者接收到的頻率的區(qū)別。②知道多普勒效應是在波源與觀察者之間有相對運動時產(chǎn)生的現(xiàn)象。③了解一些多普勒效應的應用實例。

2.過程與方法。①通過實驗感受多普勒效應，培養(yǎng)學生觀察、分析和歸納的能力；②解釋多普勒效應產(chǎn)生的原因，培養(yǎng)學生的空間想象能力和思維能力。

3.情感、態(tài)度與價值觀。①感受奇妙的物理現(xiàn)象，感受人類超凡的認識能力；②了解人類利用多普勒效應所開發(fā)的技術應用，感受物理學研究的成就。

【教學重點、難點】

1.重點。認識多普勒效應及多普勒效應產(chǎn)生的原因。

2.難點。學生對相關的背景知識缺乏感性認識，應重視感性素材的展現(xiàn)。

【教學儀器】

蜂鳴器、不同的玩具電子琴兩個、多媒體投影。

【教學過程】

一、感受多普勒效應

引入課題：演示實驗。教師拿“蜂鳴器”從左向右大幅度晃動，讓學生注意“聽”和“看”，聽到聲音有什么變化，分別提問最左側和最右側的兩名學生，他們回答的結果完全相反，左側聽到音調變得低沉，右側的學生聽到的音調變高，怎么會出現(xiàn)這樣的情況呢？到底誰說的對呢？學完了本節(jié)內容——“多普勒效應”，你就知道了。

知識儲備：（提問）

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1.描述聲音的三個要素是什么？答：音調、音色、音量。學生演示：拿一個玩具電子琴，從第一個鍵依次按下去，提問學生聽到的聲音是什么不同？答：音調。再按兩個電子琴的同一個音標比較，提問學生聽到聲音什么不同？答：音色

2.音量、音調各由什么決定？是振幅、頻率、還是波長？答：音調由振幅決定，音調由頻率決定。

3.提問：從表格中你看出什么來了？（音調與頻率有何關系）

答：音調的高低與頻率（振動的快慢）有關。音調高，振動頻率快；音調低，振動頻率慢。

多普勒現(xiàn)象：播放視頻：看火車靠近觀察者的錄像。問題1：注意聽聲音除音量大小以外的變化？答：火車靠近時，聽到音調變高，遠離時音調變低。問題2：是火車的頻率發(fā)生了變化嗎？答：不是。問題3：由于什么導致了路邊的人聽到音調的變化？提示：想象一下如果你坐在鳴著笛的火車上會感覺到音調變化嗎，為什么？答：坐在鳴笛的火車上不會聽到音調變化，因為觀察者與聲源相對靜止。如果觀察者站在路邊，火車相對我們是運動的，聽到了音調的變化。教師總結：1842年，奧地利物理學家多普勒發(fā)現(xiàn)，若波源或觀察者或它們兩者均相對介質運動，那么觀察者感覺到的頻率和波源的真實頻率一般并不相同，這種現(xiàn)象稱為多普勒效應?；疖囘M站，笛聲較高，火車出站，笛聲較低，就是這種現(xiàn)象。板書：由于波源和觀察者之間的相對運動，使觀察者感到頻率發(fā)生變化的現(xiàn)象叫多普勒效應。提問：你能舉出其他生活中有關多普勒的例子嗎？如其他交通工具。

二、分析探究

1.先了解兩個基本概念：（1）波源的頻率：單位時間波源發(fā)出完全波的個數(shù)；（2）觀察者接收到的頻率：觀察者在單位時間內接收到的完全波的個數(shù)。

2.研究過程。情景1：觀察者、波源都靜止。猜想:觀察者接收的頻率是否等于波源的頻率？（等于）讓學生觀察動畫驗證猜想。情景2：觀察者、波源相對運動。

環(huán)節(jié)1：

提問：對于波源或觀察者的運動，分成幾類情況？

答：類型1：波源靜止而觀察者運動。類型2：觀察者靜止而波源運動。類型3：波源與觀察者都在運動。

環(huán)節(jié)2：模擬實驗（見下頁）。

讓20個人排成一隊勻速走動，甲圖中讓班長站在隊伍旁邊，每經(jīng)過一個人報一個數(shù)，乙圖中班長與隊伍反向走動時報數(shù)頻率，丙圖中班長以小于隊伍的速度與隊伍同向走動時報數(shù)。問題：乙圖“過人頻率”比甲圖大還是小？丙圖呢？學生回答：乙圖過人頻率比甲圖大，丙圖比甲圖小。

環(huán)節(jié)3：

類型1：波源靜止而觀察者運動。

（1）觀察者靠近波源。猜測接受的頻率比波源的頻率大還是??？學生回答：接受的頻率比波源的頻率大。觀察動畫，可得到什么結論？結論：觀察者在單位時間內接收到的完全波的個數(shù)增多，即接收到的頻率變大。

（2）觀察者遠離波源。猜測：接受的頻率比波源的頻率大還是小？學生回答：接受的頻率比波源的頻率小。觀察動畫，可得到什么結論。結論：觀察者在單位時間內接收到的完全波的個數(shù)較少，即接收到的頻率變小。

類型2：觀察者靜止而波源運動。

猜想：當波源移動時，波變成了什么樣子？學生回答：波運動的一側波密集，反方向稀疏。

觀察“水波振源移動”的錄像。猜測：接受的頻率比波源的頻率大還是??？學生回答：如右圖所示觀察者站在A點波源靠近，接收的頻率變大，觀察者站在B點接受的頻率變小。觀察動畫，驗證猜想的正確性。

總結：當波源運動時，靠近觀察者的一側波長變小，接受的頻率小于波源頻率，遠離波源的一側波長變大，接受的頻率小于波源頻率。

環(huán)節(jié)4：同桌討論究竟運動和頻率的關系如何？填表格。

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問題1：用最精練的一句話總結一下上表中得到的規(guī)律。答：波源與觀察者相互靠近時，觀察者接收到的頻率大于波源發(fā)出的頻率；波源與觀察者相互遠離時，觀察者接收到的頻率小于波源發(fā)出的頻率。問題2：如果波源和觀察者都運動，怎樣使聽到頻率大于波源頻率？答：波源和觀察者相向運動或同向運動時，波源（觀察者）在后速度大于觀察者（波源）在前的速度。

總結規(guī)律：

（1）當波源與觀察者有相對運動時，如果二者相互接近，觀察者接收到的頻率增大；如果二者相互遠離，觀察者接收到的頻率減小。

（2）在觀察者運動的情況下，引起觀察者接收頻率的改變是由于觀測到的波的速度發(fā)生了改變（波的波長不變）。

（3）在波源運動的情況下，引起觀察者接收頻率的改變是由于觀測到的波的波長發(fā)生了改變（波的速度不變）。

注意：

（1）在多普勒效應中，波源的頻率是不改變的，只是由于波源和觀察者之間有相對運動，觀察者感到頻率發(fā)生了變化。

（2）多普勒效應是波動過程共有的特征，不僅機械波，電磁波和光波也會發(fā)生多普勒效應。

環(huán)節(jié)5：解釋引入新課的演示實驗。

教師拿“蜂鳴器”從左向右大幅度晃動時，為什么左側聽到音調變得低沉，右側的學生聽到的音調變高，怎么會出現(xiàn)這樣的情況呢？到底誰說的對呢？重新演示一遍。答：說得都對，左側同學是聲源遠離觀察者聽到音調變低，波源靠近右側同學時他聽到音調變高。教師手拿“蜂鳴器”讓他在上空中盤旋時，聽到音調忽高忽低，讓學生體會。

三、多普勒效應的應用

提問：生活中有哪些有關多普勒效應的應用？回答：有經(jīng)驗的鐵路工人可以從火車的汽笛聲判斷火車的運動方向和快慢。有經(jīng)驗的戰(zhàn)士可以從炮彈飛行時的尖叫聲判斷飛行的炮彈是接近還是遠去。讓學生從生活中看看還有哪些應用。5分鐘后讓學生回答。

1.交通管理。多普勒測速儀。提問：多普勒測速儀是什么原理？答：交通警車向行進中的車輛發(fā)射頻率已知的超聲波，同時測量反射波的頻率，根據(jù)反射波頻率變化的多少就能知道車輛的速度。警察靜止在路邊檢測時，頻率比發(fā)出的大，說明車在靠近，增加得越多，車速越大，如果接收到的頻率比發(fā)出的頻率小，說明車在遠離，小的越多，遠離得越快。如果警車是移動的呢，怎樣知道是否超速？警車以限定速度與被測車輛同向行駛，發(fā)現(xiàn)接受到的頻率比發(fā)出的頻率大了，超沒超速？答：沒超速。類似的原理還有：多普勒水流測速儀。

2.醫(yī)學。多普勒彩超。在醫(yī)學上，醫(yī)生向人體內發(fā)射頻率已知的超聲波，超聲波被血管中流動的血流反射后又被儀器接收，測出反射波的頻率的變化，就能知道血液的流動速度，這種方法稱“彩超”，可以檢查心臟、大腦和眼底血管的病變。

3.氣象學?？梢詼y大氣的運動速度，探測靈敏度高，探測能量增強。

4.天文學。在20世紀初，科學家們發(fā)現(xiàn)許多星系的譜線有“紅移現(xiàn)象”，所謂“紅移現(xiàn)象”，就是整個光譜結構向光譜紅色的一端偏移，這種現(xiàn)象可以用多普勒效應加以解釋：由于星系遠離我們運動，接收到的星光的頻率變小，譜線就向頻率變?。床ㄩL變大）的紅端移動?？茖W家從紅移的大小還可以算出這種遠離運動的速度。測量星球上某些元素發(fā)出的光波的頻率，然后跟地球上這些元素靜止時發(fā)光的頻率對照，就可以算出星球靠近或遠離我們的速度。這種現(xiàn)象，是證明宇宙在膨脹的一個有力證據(jù)。

5.軍事應用。上世紀70年代以來又出現(xiàn)了多普勒導航系統(tǒng)與其他機載電子系統(tǒng)相結合的多功能航空綜合系統(tǒng)。多普勒導航系統(tǒng)是利用多普勒效應測定多普勒頻移，從而計算出飛機當時的速度和位置來進行導航（見無線電導航）。飛機因側風而偏航時，多普勒雷達還用于測量偏流角的數(shù)值并對航向進行修正。多普勒導航系統(tǒng)的優(yōu)點是：無需地面設備配合工作；不受地區(qū)和氣候條件的限制；飛機速度和偏流角的測量精度高。缺點是：飛機姿態(tài)超過限度時，多普勒雷達因收不到回波而不能工作；定位誤差隨時間推移而增加；多普勒雷達的工作與反射面狀況有關。

四、小結

提問：本節(jié)課你學到了什么？（回顧）學生總結。

五、思考題

課下搜集資料，結合本節(jié)所學，以《多普勒的應用》為題寫一篇說明文。

六、練習

公路巡警開車在高速公路上以100km/h的恒定速度巡查，在同一車道上巡警車向前方的一輛轎車發(fā)出一個已知頻率的超聲波，結果該超聲波被那輛轎車反射回來時，巡警車接收到的超聲波頻率比發(fā)出時低。若該路段限速為100km/h，則該轎車是否超速？若該轎車以20m/s的速度行進，反射回的頻率應怎樣變化？

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1674-9324（2014）25-0281-03