生活中的特殊现象

当奔驰的 汽车向你驶来， 汽车向你驶来， 并经过你的身 旁，而后又离 开你驶向远方， 开你驶向远方， 在这一过程中， 在这一过程中， 你有没有注意 到你耳朵中听 到的汽车的鸣 笛声有什么特 殊的现象？ 殊的现象？

是不是汽车喇叭鸣笛的频率本身发生了变化？ 是不是汽车喇叭鸣笛的频率本身发生了变化？

多普勒效应( 多普勒效应(Doppler effect) effect)

1、现象(1842年发现)：当汽 现象(1842年发现) (1842年发现 车向你驶来时，感觉音调变高； 车向你驶来时，感觉音调变高； 当汽车离你远去时， 当汽车离你远去时，感觉音调 变低。 变低。 音调：由频率决定， 2、音调：由频率决定，频率 越高音调越高， 越高音调越高，频率越低音 调越低。 调越低。 多普勒效应：由于波源和观察者之间有相 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 感到频率变化的现象叫做 对运动，使观察者感到频率变化的现象叫做 多普勒效应。 多普勒效应。

多普勒效应模拟 1、观察者静止不动， 观察者静止不动， 数经过的队伍中的 队伍中的人 数经过的队伍中的人 每分钟假设有30 数，每分钟假设有30 个人经过。 个人经过。 2、当观察者逆着队伍 行走时，数经过的队 行走时，数经过的队 人数， 伍中的人数，每分钟将 大于30个人经过。 30个人经过 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 小于30 人数，每分钟将小于30 个人经过。 个人经过。

v测=0

v测

v测

多普勒效应的成因

1、波源的频率：单位时间内波源发出的完全 发出的完全 波源的频率：单位时间内波源发出 波的个数。 波的个数。

2、观察者接收到的频率：单位时间内接收到 接收到 观察者接收到的频率：单位时间内接收 的完全波的个数。 的完全波的个数。

多普勒效应的成因

1、波源和观察者没有相对运动时 单位时间内波源发出几个 完全波， 完全波，观察者在单位时间内就 接收到几个完全波， 接收到几个完全波，故观察者接 收到的频率等于波源的频率。 收到的频率等于波源的频率。

 2、观察者朝波源运动时 观察者在单位时间内接收到 的完全波的个数增多， 的完全波的个数增多，即接收 到的频率增大。 到的频率增大。

3、观察者远离波源运动时 观察者在单位时间内接收 到的完全波的个数减少， 到的完全波的个数减少，即接 收到的频率减少。 收到的频率减少。

多普勒效应的成因

4、波源朝观察者运动时 观察者感觉到波 变得密集， 变得密集，即波长 减小， 减小，

接收到的频 率增大。 率增大。

5、波源远离观察者运动时 观察者感到波变得稀疏，即波长增大， 观察者感到波变得稀疏，即波长增大， 接收到的频率减少。 接收到的频率减少。

多普勒效应

当波源与观察者有相对运动时， 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 相互接近， 接收到的频率增大； 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 如果二者 相互远离 ， 观察者 接收到的频率 相互远离， 减小。 减小。 注：频率增大，指观察都接收到的频率大于 频率增大， 波源发出的频率 注意：由于相对运动，声源的频率没有 注意：由于相对运动， 变化， 变化，而是观察者接收到的频率发生了 变化。 变化。

问题： 波源、观察者有相对运动 波源、
假定波源、观察者的运动发生在两者的连线上 假定波源、观察者的运动发生在两者的连线上 波源振动的频率

f
f'

观察者探测的频率

v vo
u

波在介质中的传播速度 观察者相对介质的速度 波源相对介质的速度

f

与

f

'

的关系

1、波源不动，而观察者以速度 、波源不动，

vo 相对于介质运动

观 察 者 接 收 的 频 率 观察者向波源运动
f = v f '= v + υ0 v +v o = f v

λ

λ

f

'

观察者远离波源

v − vo f '= f v

2、 观察者不动，波源相对介质以速度 u 、 观察者不动，

运动

f =

v

λ

λ

λb

v −u λb = λ − uT = (v − u)T = f
'

此时介质中的波长为

uT

·S
vT

R

观察者接收的频率

v v f = = f λb v − u

由于观察者静止， 由于观察者静止，所以他接收到的频率就是波的频 因此， 率，即 f ' = f ，因此， v f '= f 波源向观察者运动 v−u v f '= f 波源远离观察者 v+u

三 波源与观察者同时相对介质运动

(u ,v o )

综合以上两种情况， 综合以上两种情况，可得 当波与观察者同时相对 介质运动时，观察者所接收到的频率为： 介质运动时，观察者所接收到的频率为：

v ± vo f '= f v±u

v o 观察者向波源运动

+ ，远离

.

u

波源向观察者运动

，远离 + .

多普勒效应的应用

多普勒效应是波动过程共有的特征， 多普勒效应是波动过程共有的特征，一切 如电磁波和光波）都能发生多普勒效应。 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： 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（ 率的电磁波（通常是 红外线）， ），波被运动 红外线），波被运动 的汽车反射回来时， 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。 的速度。

多普勒效应的应用 应用2 应用2、有经验

多普勒效应实验报告
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； 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。 飞行时的尖叫声判断飞行的炮弹是接近还是远去。 应用3 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。 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 宇宙中的星球都在不停地运动． 发出的光波的频率， 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。 频率对照，就可以算出星球靠近或远离我们的速度。

应用4 临床上应用： 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 医生向人体内发射频率已知的超声波， 中的血流反射后又被仪器接收，测出反射波的频率变化， 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” 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。 心脏、大脑和眼底血管的病变。

科学漫步

1、可闻声波： 人耳能听到的声波，其 可闻声波： 人耳能听到的声波， 频率范围大致在20Hz 20000Hz之间 20Hz之间。 频率范围大致在20Hz-20000Hz之间。 波长：17m -17mm 波长： 2、次声波：频率低于20Hz的声波。不 低于20Hz的声波 次声波：频率低于20Hz的声波。 能引起人类听觉器官的感觉。 能引起人类听觉器官的感觉。 高于20000Hz的声波 3、超声波：频率高于20000Hz的声波。 超声波：频率高于20000Hz的声波。 不能引起人类听觉器官的感觉。 不能引起人类听觉器官的感觉。

课后练习
1、关于多普勒效应，下列说法正确的是（ C ） 关于多普勒效应，下列说法正确的是（ 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 ） 当火车进站鸣笛时，我们可听到的声调（ A．变高 B．不变高 C．越来越沉

D．不知声速和火车车速，不能判断 不知声速和火车车速，

课后练习 3、下列说法正确的是(在空气中传播)（ 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

例1 A、B 为两个汽笛，其频率皆为500Hz，A 静 、 为两个汽笛，其频率皆为

多普勒效应综合实验
， 的速率向右运动. 止，B 以60m/s 的速率向右运动 在两个汽笛之间有一 观察者O， 的速度也向右运动. 观察者 ，以30m/s 的速度也向右运动 已知空气中的 声速为330m/s，求： 声速为 ， v v 1）观察者听到来自 的频率 ）观察者听到来自A v sB v
O

2）观察者听到来自B 的频率 ）观察者听到来自 A 1） 解 ） O B

v = 330 m/s, u A = 0, u B = 60 m/s
330-30 f '= × 500Hz = 454.5 Hz 330

v ± vo f '= f vmu

例1 A、B 为两个汽笛，其频率皆为 、 为两个汽笛，其频率皆为500Hz，A 静 ， 的速率向右运动. 止，B 以60m/s 的速率向右运动 在两个汽笛之间有一 观察者O， 的速度也向右运动. 观察者 ，以30m/s 的速度也向右运动 已知空气中的 声速为330m/s，求： 声速为 ， v v v sB vO 2）观察者听到来自 的频率 ）观察者听到来自B A ） 解 2） O B

330 + 30 f ''= × 500Hz = 461.5 Hz 330 + 60

利用多普勒效应监测车速， 例2 利用多普勒效应监测车速，固定波源发出频率 的超声波，当汽车向波源行驶时， 为 ν = 100kHz 的超声波，当汽车向波源行驶时，与波源 安装在一起的接收器接收到从汽车反射回来的波的频率 −1 为 ν "= 110 kHz . 已知空气中的声速为 u = 330 ms ， 求车速 .

v v0

解 1）车为接收器 ） 2）车为波源 ）

f '=

车速

v v0 + v f "= f' = f v−u v−u f "− f v0 =u = u =568 km⋅ h−1 . f "+ f

v + v0 f v

课后练习
例3、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， 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. 接收到的信号间的时间差，测出被测物体的速度.图B中 是测速仪发出的超声波信号， 分别是p 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， 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， 的时间间隔△t=1.0s，超声波在空气中传播的速度是 v=340m/s，若汽车是匀速行驶的，则根据图B可知，汽 =340m/s，若汽车是匀速行驶的，则根据图B可知， 车在接收到p 车在接收到p1、p2两个信号之间的时间内前进的距离是 17.9 汽车的速度是_______ m/s。 m/s。 17 m，汽车的速度是_______

次声波 1、次声波的特点 ：次声波由于频率小,故波长较 次声波的特点：次声波由于频率小 频率小, 易发生衍射,传播距离较远。 长,易发生衍射,传播距离较远。 次声波的应用： 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， 预报破坏性很大的 核武器试验和导弹的发射，或预报破坏性很大的 海啸、台风。 海啸、台风。 3、次声波对人体的影响
1

计数器及其应用
）次声波1-3Hz：可以使人产生恐惧，地震前动物的不安， 次声波1 3Hz：可以使人产生恐惧，地震前动物的不安， 动物的不安 也是这个频率的次声波引起； 也是这个频率的次声波引起； 次声波3 6Hz：能使人精神失常，失去理智； 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； 次声波8 12Hz：可以使人思维集中，增强记忆力； 太强的次声波将使人感到烦躁 耳鸣、头痛、 的次声波将使人感到烦躁、 4）太强的次声波将使人感到烦躁、耳鸣、头痛、恶心和心 人的晕船和晕车就是由于机械振动、 晕船和晕车就是由于机械振动 悸，人的晕船和晕车就是由于机械振动、空气和海浪摩擦 的次声波还会使人四肢麻木、 发生的次声波引起；特别强的次声波还会使人四肢麻木 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。 耳聋、鼻孔出血、内脏破裂，直至死亡。

超声波 1、超声波的能量很大：理论研究表明，在振幅相同 超声波的能量很大：理论研究表明， 的情况下，一个物体的振动能量跟振动频率的二次 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。 方成正比。超声波的频率很高，因而能量很大。 超声波沿直线传播：因为超声波的波长很短 超声波的波长很短， 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， 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。 本上沿直线传播。 应用1 应用1、 超声波加湿器的基本 超声波加湿器的基本 原理：利用超声波的剧烈振动 原理： 可以把普通水“打碎” 可以把普通水“打碎”成直径 仅为几微米的小水珠， 仅为几微米的小水珠，变成雾 气喷散到房间的空气中， 气喷散到房间的空气中，增大 房间中空气的湿度

超声波 应用2 超声波雾化器： 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” 气混合形成“药雾”，病人吸 入后， 入后，可以治疗肺部和气管类 疾病，如咽喉炎和气管炎。 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 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 结石击碎。 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。 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， 体细胞受到振荡和刺激，可起按摩作用，治疗神经 痛等

透镜及其应用
疾患。 痛等疾患。 应用5 用超声波消毒灭菌也是有效的。 消毒灭菌也是有效的 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， 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

超声波 应用6 超声波探伤：由于超声波的穿透能力很强， 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、 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、 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。 空洞和裂纹等缺陷。

超声波 应用7 应用7、B超：就是利用超声波的发射，来探查人体 就是利用超声波的发射， 内部的各种器官、组织等有无异常， 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． 瘤的有无、位置和大小等等．

超声波 应用8 利用超声波清洗污垢 金属零件、 应用8、利用超声波清洗污垢：金属零件、玻璃和陶 清洗污垢： 瓷制品的除垢是件麻烦事， 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 剧烈振动冲击物 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。 品上的污垢，能够很快清洗干净。 应用9 声呐： 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。 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 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 特性制成的装置， 出短促的超声波脉冲． 出短促的超声波脉冲．又能接收被 潜艇、 潜艇、鱼群或海底反射回来的超声 根据反射波滞后的时间和波速， 波，根据反射波滞后的时间和波速， 就可以确定潜艇、 就可以确定潜艇、鱼群的位置或海 水深度

仿生学
1、很多动物都有完善的发射和 接收超声波的器官。 接收超声波的器官。以昆虫为 食的蝙蝠，视觉很差， 食的蝙蝠，视觉很差，飞行中 不断发出超声波的脉冲， 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。 昆虫身体的反射波来发现食物。 海豚也有完善的 声呐”系统， 也有完善的“ 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。 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 现代的无线电定位器 无线电定位器——雷达 质量有几十、几百、 雷达， 千克，蝙蝠的超声定位系统只有几分之一克， 千克

滑轮及其应用
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、 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。 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， 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 仿生学。 这就是近几十年来发展起来的一门新学科——仿生学。