蘇立乾

（河北衡水中學(xué)，河北 衡水 053000）

《多普勒效應(yīng)》教學(xué)設(shè)計(jì)

蘇立乾

（河北衡水中學(xué)，河北 衡水 053000）

【教學(xué)說明】

本課采用人民教育出版社《物理》選修3-4教材，對(duì)第十二章第五節(jié)“多普勒效應(yīng)”進(jìn)行了如下設(shè)計(jì)，學(xué)生盡管學(xué)習(xí)了機(jī)械波的產(chǎn)生、傳播的基本規(guī)律，但關(guān)于多普勒效應(yīng)學(xué)生尚缺乏相應(yīng)的感性認(rèn)識(shí)，而且這部分知識(shí)是比前面所學(xué)基礎(chǔ)知識(shí)稍深一層的具有綜合性的波的現(xiàn)象，學(xué)生學(xué)習(xí)中是具有相當(dāng)大的難度。教學(xué)中沒有必要給出多普勒效應(yīng)中接收者接收到的頻率公式，以免增加學(xué)生學(xué)習(xí)的心理負(fù)擔(dān)和理解難度。筆者按照學(xué)生的認(rèn)知規(guī)律，設(shè)計(jì)力求落實(shí)新課標(biāo)的理念，從實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象激發(fā)學(xué)生興趣引出課題，使學(xué)生感受奇妙的物理現(xiàn)象。從學(xué)生身邊的現(xiàn)象出發(fā)，通過實(shí)驗(yàn)以及多媒體演示，為學(xué)生認(rèn)識(shí)多普勒效應(yīng)提供充分的感性素材，為進(jìn)一步探究產(chǎn)生的原因奠定基礎(chǔ)，研究如何才能發(fā)生多普勒效應(yīng)，借助“模擬實(shí)驗(yàn)”讓學(xué)生在參與中借助動(dòng)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(yīng)的發(fā)生原因。分析產(chǎn)生原因時(shí)應(yīng)做好基礎(chǔ)鋪墊，充分利用教材上的插圖，讓學(xué)生逐步理解。探究完多普勒效應(yīng)中觀察音調(diào)高低的問題后，前后照應(yīng)讓學(xué)生解決引入實(shí)驗(yàn)的問題，最后回歸生活，讓學(xué)生知道多普勒效應(yīng)在生活中的應(yīng)用，提供了一些具體的學(xué)生易于理解的案例，鞏固和深化了多普勒效應(yīng)產(chǎn)生的原因，讓學(xué)生感受物理學(xué)研究的成就，培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。

【教學(xué)目標(biāo)】

1.知識(shí)與技能。①知道什么是多普勒效應(yīng)，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(yīng)是在波源與觀察者之間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的現(xiàn)象。③了解一些多普勒效應(yīng)的應(yīng)用實(shí)例。

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

3.情感、態(tài)度與價(jià)值觀。①感受奇妙的物理現(xiàn)象，感受人類超凡的認(rèn)識(shí)能力；②了解人類利用多普勒效應(yīng)所開發(fā)的技術(shù)應(yīng)用，感受物理學(xué)研究的成就。

【教學(xué)重點(diǎn)、難點(diǎn)】

1.重點(diǎn)。認(rèn)識(shí)多普勒效應(yīng)及多普勒效應(yīng)產(chǎn)生的原因。

2.難點(diǎn)。學(xué)生對(duì)相關(guān)的背景知識(shí)缺乏感性認(rèn)識(shí)，應(yīng)重視感性素材的展現(xiàn)。

【教學(xué)儀器】

蜂鳴器、不同的玩具電子琴兩個(gè)、多媒體投影。

【教學(xué)過程】

一、感受多普勒效應(yīng)

引入課題：演示實(shí)驗(yàn)。教師拿“蜂鳴器”從左向右大幅度晃動(dòng)，讓學(xué)生注意“聽”和“看”，聽到聲音有什么變化，分別提問最左側(cè)和最右側(cè)的兩名學(xué)生，他們回答的結(jié)果完全相反，左側(cè)聽到音調(diào)變得低沉，右側(cè)的學(xué)生聽到的音調(diào)變高，怎么會(huì)出現(xiàn)這樣的情況呢？到底誰說的對(duì)呢？學(xué)完了本節(jié)內(nèi)容——“多普勒效應(yīng)”，你就知道了。

知識(shí)儲(chǔ)備：（提問）

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1.描述聲音的三個(gè)要素是什么？答：音調(diào)、音色、音量。學(xué)生演示：拿一個(gè)玩具電子琴，從第一個(gè)鍵依次按下去，提問學(xué)生聽到的聲音是什么不同？答：音調(diào)。再按兩個(gè)電子琴的同一個(gè)音標(biāo)比較，提問學(xué)生聽到聲音什么不同？答：音色

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

3.提問：從表格中你看出什么來了？（音調(diào)與頻率有何關(guān)系）

答：音調(diào)的高低與頻率（振動(dòng)的快慢）有關(guān)。音調(diào)高，振動(dòng)頻率快；音調(diào)低，振動(dòng)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(shí)，聽到音調(diào)變高，遠(yuǎn)離時(shí)音調(diào)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(dǎo)致了路邊的人聽到音調(diào)的變化？提示：想象一下如果你坐在鳴著笛的火車上會(huì)感覺到音調(diào)變化嗎，為什么？答：坐在鳴笛的火車上不會(huì)聽到音調(diào)變化，因?yàn)橛^察者與聲源相對(duì)靜止。如果觀察者站在路邊，火車相對(duì)我們是運(yùn)動(dòng)的，聽到了音調(diào)的變化。教師總結(jié)：1842年，奧地利物理學(xué)家多普勒發(fā)現(xiàn)，若波源或觀察者或它們兩者均相對(duì)介質(zhì)運(yùn)動(dòng)，那么觀察者感覺到的頻率和波源的真實(shí)頻率一般并不相同，這種現(xiàn)象稱為多普勒效應(yīng)。火車進(jìn)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(duì)運(yùn)動(dòng)，使觀察者感到頻率發(fā)生變化的現(xiàn)象叫多普勒效應(yīng)。提問：你能舉出其他生活中有關(guān)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(gè)基本概念：（1）波源的頻率：單位時(shí)間波源發(fā)出完全波的個(gè)數(shù)；（2）觀察者接收到的頻率：觀察者在單位時(shí)間內(nèi)接收到的完全波的個(gè)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(xué)生觀察動(dòng)畫驗(yàn)證猜想。情景2：觀察者、波源相對(duì)運(yùn)動(dòng)。

環(huán)節(jié)1：

提問：對(duì)于波源或觀察者的運(yùn)動(dòng)，分成幾類情況？

答：類型1：波源靜止而觀察者運(yùn)動(dòng)。類型2：觀察者靜止而波源運(yùn)動(dòng)。類型3：波源與觀察者都在運(yùn)動(dòng)。

環(huán)節(jié)2：模擬實(shí)驗(yàn)（見下頁）。

讓20個(gè)人排成一隊(duì)勻速走動(dòng)，甲圖中讓班長站在隊(duì)伍旁邊，每經(jīng)過一個(gè)人報(bào)一個(gè)數(shù)，乙圖中班長與隊(duì)伍反向走動(dòng)時(shí)報(bào)數(shù)頻率，丙圖中班長以小于隊(duì)伍的速度與隊(duì)伍同向走動(dòng)時(shí)報(bào)數(shù)。問題：乙圖“過人頻率”比甲圖大還是小？丙圖呢？學(xué)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(yùn)動(dòng)。

（1）觀察者靠近波源。猜測(cè)接受的頻率比波源的頻率大還是小？學(xué)生回答：接受的頻率比波源的頻率大。觀察動(dòng)畫，可得到什么結(jié)論？結(jié)論：觀察者在單位時(shí)間內(nèi)接收到的完全波的個(gè)數(shù)增多，即接收到的頻率變大。

（2）觀察者遠(yuǎn)離波源。猜測(cè)：接受的頻率比波源的頻率大還是??？學(xué)生回答：接受的頻率比波源的頻率小。觀察動(dòng)畫，可得到什么結(jié)論。結(jié)論：觀察者在單位時(shí)間內(nèi)接收到的完全波的個(gè)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(yùn)動(dòng)。

猜想：當(dāng)波源移動(dòng)時(shí)，波變成了什么樣子？學(xué)生回答：波運(yùn)動(dòng)的一側(cè)波密集，反方向稀疏。

觀察“水波振源移動(dòng)”的錄像。猜測(cè)：接受的頻率比波源的頻率大還是?。繉W(xué)生回答：如右圖所示觀察者站在A點(diǎn)波源靠近，接收的頻率變大，觀察者站在B點(diǎn)接受的頻率變小。觀察動(dòng)畫，驗(yàn)證猜想的正確性。

總結(jié)：當(dāng)波源運(yùn)動(dòng)時(shí)，靠近觀察者的一側(cè)波長變小，接受的頻率小于波源頻率，遠(yuǎn)離波源的一側(cè)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(yùn)動(dòng)和頻率的關(guān)系如何？填表格。

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問題1：用最精練的一句話總結(jié)一下上表中得到的規(guī)律。答：波源與觀察者相互靠近時(shí)，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(yuǎn)離時(shí)，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(yùn)動(dòng)，怎樣使聽到頻率大于波源頻率？答：波源和觀察者相向運(yùn)動(dòng)或同向運(yùn)動(dòng)時(shí)，波源（觀察者）在后速度大于觀察者（波源）在前的速度。

總結(jié)規(guī)律：

（1）當(dāng)波源與觀察者有相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，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(yuǎn)離，觀察者接收到的頻率減小。

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

（3）在波源運(yùn)動(dòng)的情況下，引起觀察者接收頻率的改變是由于觀測(cè)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(yīng)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(duì)運(yùn)動(dòng)，觀察者感到頻率發(fā)生了變化。

（2）多普勒效應(yīng)是波動(dòng)過程共有的特征，不僅機(jī)械波，電磁波和光波也會(huì)發(fā)生多普勒效應(yīng)。

環(huán)節(jié)5：解釋引入新課的演示實(shí)驗(yàn)。

教師拿“蜂鳴器”從左向右大幅度晃動(dòng)時(shí)，為什么左側(cè)聽到音調(diào)變得低沉，右側(cè)的學(xué)生聽到的音調(diào)變高，怎么會(huì)出現(xiàn)這樣的情況呢？到底誰說的對(duì)呢？重新演示一遍。答：說得都對(duì)，左側(cè)同學(xué)是聲源遠(yuǎn)離觀察者聽到音調(diào)變低，波源靠近右側(cè)同學(xué)時(shí)他聽到音調(diào)變高。教師手拿“蜂鳴器”讓他在上空中盤旋時(shí)，聽到音調(diào)忽高忽低，讓學(xué)生體會(huì)。

三、多普勒效應(yīng)的應(yīng)用

提問：生活中有哪些有關(guān)多普勒效應(yīng)的應(yīng)用？回答：有經(jīng)驗(yàn)的鐵路工人可以從火車的汽笛聲判斷火車的運(yùn)動(dòng)方向和快慢。有經(jīng)驗(yàn)的戰(zhàn)士可以從炮彈飛行時(shí)的尖叫聲判斷飛行的炮彈是接近還是遠(yuǎn)去。讓學(xué)生從生活中看看還有哪些應(yīng)用。5分鐘后讓學(xué)生回答。

1.交通管理。多普勒測(cè)速儀。提問：多普勒測(cè)速儀是什么原理？答：交通警車向行進(jìn)中的車輛發(fā)射頻率已知的超聲波，同時(shí)測(cè)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(cè)時(shí)，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(yuǎn)離，小的越多，遠(yuǎn)離得越快。如果警車是移動(dòng)的呢，怎樣知道是否超速？警車以限定速度與被測(cè)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(cè)速儀。

2.醫(yī)學(xué)。多普勒彩超。在醫(yī)學(xué)上，醫(yī)生向人體內(nèi)發(fā)射頻率已知的超聲波，超聲波被血管中流動(dòng)的血流反射后又被儀器接收，測(cè)出反射波的頻率的變化，就能知道血液的流動(dòng)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(xué)。可以測(cè)大氣的運(yùn)動(dòng)速度，探測(cè)靈敏度高，探測(cè)能量增強(qiáng)。

4.天文學(xué)。在20世紀(jì)初，科學(xué)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(gè)光譜結(jié)構(gòu)向光譜紅色的一端偏移，這種現(xiàn)象可以用多普勒效應(yīng)加以解釋：由于星系遠(yuǎn)離我們運(yùn)動(dòng)，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(dòng)?？茖W(xué)家從紅移的大小還可以算出這種遠(yuǎn)離運(yùn)動(dòng)的速度。測(cè)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(shí)發(fā)光的頻率對(duì)照，就可以算出星球靠近或遠(yuǎn)離我們的速度。這種現(xiàn)象，是證明宇宙在膨脹的一個(gè)有力證據(jù)。

5.軍事應(yīng)用。上世紀(jì)70年代以來又出現(xiàn)了多普勒導(dǎo)航系統(tǒng)與其他機(jī)載電子系統(tǒng)相結(jié)合的多功能航空綜合系統(tǒng)。多普勒導(dǎo)航系統(tǒng)是利用多普勒效應(yīng)測(cè)定多普勒頻移，從而計(jì)算出飛機(jī)當(dāng)時(shí)的速度和位置來進(jìn)行導(dǎo)航（見無線電導(dǎo)航）。飛機(jī)因側(cè)風(fēng)而偏航時(shí)，多普勒雷達(dá)還用于測(cè)量偏流角的數(shù)值并對(duì)航向進(jìn)行修正。多普勒導(dǎo)航系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是：無需地面設(shè)備配合工作；不受地區(qū)和氣候條件的限制；飛機(jī)速度和偏流角的測(cè)量精度高。缺點(diǎn)是：飛機(jī)姿態(tài)超過限度時(shí)，多普勒雷達(dá)因收不到回波而不能工作；定位誤差隨時(shí)間推移而增加；多普勒雷達(dá)的工作與反射面狀況有關(guān)。

四、小結(jié)

提問：本節(jié)課你學(xué)到了什么？（回顧）學(xué)生總結(jié)。

五、思考題

課下搜集資料，結(jié)合本節(jié)所學(xué)，以《多普勒的應(yīng)用》為題寫一篇說明文。

六、練習(xí)

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(gè)已知頻率的超聲波，結(jié)果該超聲波被那輛轎車反射回來時(shí)，巡警車接收到的超聲波頻率比發(fā)出時(shí)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(jìn)，反射回的頻率應(yīng)怎樣變化？

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1674-9324（2014）25-0281-03