資源簡介

5．多普勒效應
[學習目標]　1．知道什么是多普勒效應，知道它是波源與觀察者之間有相對運動時產生的現象。2．培養利用控制變量法探究問題的能力。 3．了解多普勒效應在實際生活中的應用。
[教用·問題初探]——通過讓學生回答問題來了解預習教材的情況
問題1　當車從你身邊疾馳而過的時候，鳴笛的音調會如何變化？
問題2　如果用竹桿拴著蜂鳴器運動，可能會有什么現象發生？
　多普勒效應
【鏈接教材】　如人教版教材P79圖3.5-1所示：將一個以電池為電源的蜂鳴器固定在長竹竿的一端，閉合開關后聽一聽它發出的聲音。請一位同學用竹竿把蜂鳴器舉起并在頭頂快速轉動。
問題1　在幾米外聽到蜂鳴器的音調有何不同？
提示：聽到的蜂鳴器的音調忽高忽低。
問題2　實際上蜂鳴器的音調會變化嗎？
提示：實際上蜂鳴器的音調不會變化。
問題3　聽到的音調發生變化的原因是什么？
提示：蜂鳴器與觀察者之間的相對位置變化，觀察者聽到的頻率發生變化。
【知識梳理】　
1．定義：波源與觀察者相互靠近或遠離時，接收到的波的頻率都會發生變化，這種現象叫作多普勒效應。
2．產生原因
(1)波源與觀察者相互靠近時，單位時間內通過觀察者的波峰(或密部)的數目增加，觀察者觀測到的頻率變大。
(2)波源與觀察者相互遠離時，單位時間內通過觀察者的波峰(或密部)的數目減少，觀察者觀測到的頻率變小。
提醒：無論波源與觀察者間是否有相對運動，是否發生多普勒效應，波源發出的波的頻率不變，改變的僅是接收的波的頻率。
【思考討論】
問題　只要觀察者與波源發生相對運動，就會產生多普勒效應，這種說法對嗎？為什么？
提示：不對，如果觀察者繞著波源做圓周運動，雖然兩者間發生了相對運動，但觀察者接收的頻率與波源發出的頻率依然相等，并未發生多普勒效應。
【知識歸納】　
1．多普勒效應的成因：發生多普勒效應時，一定是由于波源與觀察者之間發生了相對運動。
2．相對位置變化與頻率的關系(規律)
相對位置 圖示 結論
波源S和觀察者A相對靜止，如圖所示 f波源＝f觀察者，音調不變
波源S不動，觀察者A運動，由A→B或A→C，如圖所示 若靠近波源，由A→B，則f波源＜f觀察者，音調變高；若遠離波源，由A→C，則f波源>f觀察者，音調變低
觀察者A不動，波源S運動，由S→S2，如圖所示 f波源＜f觀察者，音調變高
【典例1】　(多普勒效應問題分析)如圖表示產生機械波的波源O做勻速運動的情況，圖中的圓表示波峰。
(1)該圖表示的是(　　)
A．干涉現象
B．衍射現象
C．反射現象
D．多普勒效應
(2)波源正在移向(　　)
A．A點　　 B．B點
C．C點 　 D．D點
(3)觀察到的波的頻率最低的點是(　　)
A．A點 　 B．B點
C．C點 　 D．D點
思路點撥：本題主要是對多普勒效應的分析，判斷問題時必須明確以下幾點：(1)常見的波動現象有哪些；(2)怎樣根據波形判斷波源的移動方向；(3)波源的移動對觀察到的波的頻率有何影響。
[解析]　(1)由于題圖所示波源左方的波面密集，右方的波面稀疏，可知該圖表示的是多普勒效應中波源運動的情況，即D選項正確。
(2)由于波源左方的波長被壓縮，右方的波長被拉長，可知波源正在移向A點，即A選項正確。
(3)由于波源遠離B點，由題圖分析可知在B點觀察到的波的頻率最低，即B選項正確。
[答案]　(1)D　(2)A　(3)B
　多普勒效應的判斷方法
(1)確定研究對象(波源與觀察者)。
(2)確定波源與觀察者是否有相對運動，若有相對運動，則發生多普勒效應；否則不發生。
(3)判斷：當兩者遠離時，觀察者接收到的波的頻率變小；當兩者靠近時，觀察者接收到的波的頻率變大，但波源的頻率均不變。
【典例2】　(由多普勒效應判斷頻率變化)春節假期，小明坐在沙發上用電視機觀看某科幻電影，情節緊張刺激、扣人心弦，與此同時，來訪的親友快步向客廳走來，小明的家長快步前去迎接，對于電視機發出的聲音，小明聽到的聲音頻率為f1，來訪的親友聽到的聲音頻率為f2，小明的家長聽到的聲音頻率為f3，則下列說法正確的是(　　)
A．f1>f2>f3 　 B．f2>f3>f1
C．f2>f1>f3 　 D．f3>f2>f1
C　[設電視機發出聲音的頻率為f0，由題意可知小明相對于電視機靜止不動，則有f1＝f0，來訪的親友相對在靠近電視機，根據多普勒效應可知f2>f0, 小明的家長相對在遠離電視機，根據多普勒效應可知f3f1>f3，故選C。]
　多普勒效應的應用
1．測量汽車速度：交通警察向行進中的車輛發射頻率已知的超聲波，同時測量反射波的頻率，根據反射波頻率變化的多少就能知道車輛的速度。
2．測星球速度：測量星球上某些元素發出的光波的頻率，然后與地球上這些元素靜止時發光的頻率對照，可得星球的速度。
3．測血液流速：向人體內發射頻率已知的超聲波，超聲波被血管中的血流反射后又被儀器接收，測出反射波的頻率變化，就能知道血流的速度。
【思考討論】　利用如圖所示的衛星跟蹤站，人們可以跟蹤人造地球衛星。
問題1　人們怎樣利用衛星跟蹤站觀測衛星？
提示：一旦衛星經過跟蹤站上空，地面接收到的信號頻率就會先增大后減小，人們根據接收到的信號頻率變化來觀察衛星。
問題2　人們發現星球光譜的頻率在變小，說明什么問題？
提示：說明星球正在遠離地球。
【典例3】　(多普勒效應的應用)(多選)下面實例中利用了多普勒效應的是(　　)
A．利用地球上接收到遙遠天體發出的光波的頻率來判斷遙遠天體相對于地球的運動速度
B．交通警察向行進中的汽車發射一個已知頻率的電磁波，波被運動的汽車反射回來時，根據接收到的頻率發生的變化，就可知汽車的速度，以便于交通管理
C．鐵路工人用耳貼在鐵軌上可判斷火車的運動情況
D．有經驗的戰士從炮彈飛行的尖嘯聲判斷飛行炮彈是接近還是遠去
ABD　[利用光波的多普勒效應可以測定遙遠天體相對于地球的運動速度，A選項正確；被反射的電磁波相當于一個運動的物體發出的電磁波，其頻率發生變化，由多普勒效應可求出運動物體的速度，B選項正確；鐵路工人根據鐵軌振動的強弱而非頻率的高低來對列車的運動做出判斷，C選項錯誤；炮彈飛行時與空氣摩擦產生聲波，人耳接收到的頻率與炮彈的相對運動方向有關，D選項正確。]
1．(多選)關于下列圖中的物理現象，描述正確的是(　　)
A．甲圖，水波由深水區傳播至淺水區，傳播方向改變，屬于波的反射現象
B．乙圖，兩列同頻率的水波在空間疊加，部分區域振動加強，屬于波的干涉現象
C．丙圖，用竹竿舉著蜂鳴器快速轉動，聽到蜂鳴器頻率發生變化，屬于波的多普勒效應
D．丁圖，水波穿過障礙物間的狹縫后，形成明暗相間的條紋，屬于波的干涉現象
BC　[題圖甲中水波從深水區傳到淺水區改變傳播方向的現象，是波的折射現象，故A錯誤；題圖乙中兩列同頻率的水波在空間疊加，部分區域振動加強，屬于波的干涉現象，故B正確；題圖丙中，用竹竿舉著蜂鳴器快速轉動，聽到蜂鳴器頻率發生變化，屬于波的多普勒效應，故C正確；題圖丁中，水波穿過障礙物間的狹縫后，能傳播至兩側區域，屬于波的衍射現象，故D錯誤。故選BC。]
2．(多選)如圖所示，男同學站立不動吹口哨，一位女同學坐在秋千上來回擺動，下列關于女同學感受到聲音變化的說法正確的是(　　)
A．女同學從A向B運動過程中，她感覺哨聲音調變高
B．女同學從E向D運動過程中，她感覺哨聲音調變高
C．女同學在C點向右運動時，她感覺哨聲音調不變
D．女同學在C點向左運動時，她感覺哨聲音調變低
AD　[由題圖可知，女同學蕩秋千的過程中，只要她有向右的速度，她就在靠近聲源，根據多普勒效應，她接收到的哨聲頻率變高，音調變高；反之女同學向左運動時，她感受到音調變低，A、D正確，B、C錯誤。]
3．如圖所示，向左勻速運動的小車發出頻率為f的聲波，車左側A處靜止的人感受到的聲波的頻率為f1，車右側B處靜止的人感受到的聲波的頻率為f2，則(　　)
A．f1＜f，f2＜f　　　　
B．f1＜f，f2＞f
C．f1＞f，f2＞f
D．f1＞f，f2＜f
D　[由題意可知，聲源靠近A處的人，由多普勒效應可知，A處的人接收到聲波的頻率變大，即f1>f；同理可知B處的人接收到聲波的頻率變小，即f2回歸本節知識，完成以下問題：
1．為什么會產生多普勒效應現象？
提示：觀察者與波源存在相對運動。
2．發生多普勒效應時，波源的頻率發生變化了嗎？
提示：沒有變化。
3．多普勒效應的產生與觀察者距波源的遠近有關嗎？
提示：無關。
宇宙學中的多普勒效應
20世紀20年代，美國天文學家斯萊弗在研究遠處的旋渦星云發出的光譜時，首先發現了光譜的紅移，認識到了旋渦星云正快速遠離地球。1929年哈勃根據光譜紅移總結出著名的哈勃定律：星系的遠離速度v與距地球的距離r成正比，即v＝H0r，H0為哈勃常數。根據哈勃定律和后來更多天體光譜紅移的測定，人們相信宇宙在長時間內一直在膨脹，宇宙的密度一直在變小。反推可以想象，宇宙在很久以前并沒有現在這么大，最初它可能很小。因此，伽莫夫和他的同事們提出了大爆炸宇宙模型，認為是一個極點大爆炸后，經長期地膨脹和演化而形成今天的宇宙。20世紀60年代以來，大爆炸宇宙模型逐漸被人們接受。
具有波動性的光也會出現多普勒效應，這被稱為多普勒—斐索效應，它使人們對距地球任意遠的天體的運動的研究成為可能，這只要分析一下接收到的光的頻譜就行了。1868年，英國天文學家威廉·哈金斯用這種辦法測量了天狼星的視向速度(即物體遠離我們的速度)，得出了46 km/s 的速度值。
1．多普勒效應是什么現象？
提示：當波源與觀察者發生相對運動時，接收到的波的頻率發生改變的現象。
2．發生多普勒效應時波源的頻率是否發生了變化？
提示：沒有。
課時分層作業(十五)　多普勒效應
?題組一　多普勒效應
1．在下列現象中，可以用多普勒效應解釋的有(　　)
①雷雨天看到閃電后，稍過一會兒才能聽到雷聲
②超聲波被血管中的血流反射后，探測器接收到的超聲波頻率發生變化
③觀察者聽到遠去的列車發出的汽笛聲音調變低
④天文學上觀察到雙星(相距較近、均繞它們連線上某點做圓周運動的兩顆恒星)光譜隨時間的周期性變化
A．①②③　 B．①②④
C．①③④ 　 D．②③④
D　[①看到閃電后，稍過一會兒才能聽到雷聲，是光和聲音在空氣中的傳播速度不同造成的，故①錯誤；②探測器接收到的超聲波頻率發生變化，是由于血液發生流動，探測器與血液的觀測點的距離發生變化，可以用多普勒效應解釋，故②正確；③觀察者聽到遠去的列車發出的汽笛聲音調變低是由于列車與觀察者的距離發生變化，可以用多普勒效應解釋，故③正確；④觀察者與雙星的距離發生變化，接收到的頻率發生變化，產生周期性變化的光譜，屬于多普勒效應，故④正確。故選D。]
2．(多選)讓一隊人沿街行走，觀察者站在街旁不動，每分鐘有30人與觀察者相遇，如果觀察者以小于隊伍行進的速度順著隊伍行走，每分鐘有20人與觀察者相遇，下列關于這一實例的分析正確的是(　　)
A．如果觀察者逆著隊伍行走，每分鐘與觀察者相遇的人數將大于30人
B．該實例與多普勒效應原理相同
C．多普勒效應的本質是波源的頻率發生了變化
D．“隔墻有耳”是多普勒效應
AB　[如果觀察者逆著隊伍行走，根據運動的相對性可知每分鐘與觀察者相遇的人數將大于30人，故A正確；波在介質中傳播時頻率不變，只是由于波源和觀察者之間有相對運動，觀察者感覺到(或儀器設備接收到)的頻率發生了變化，這樣就形成了多普勒效應，故B正確，C錯誤；“隔墻有耳”屬于波的衍射現象，故D錯誤。]
3．(多選)將上下振動的振針水平移動，移動過程中在水面上形成了如圖所示的水波圖形，下列說法正確的是(　　)
A．振針向右移動
B．振針向左移動
C．在A處的觀察者接收到的水波頻率比振針的振動頻率小
D．在A處的觀察者接收到的水波頻率比振針的振動頻率大
AC　[振針(波源)前進方向上的水波變得密集，在其反方向的水波變得稀疏，因此振針向右移動；由于波源遠離觀察者時，水波波長變長，觀察者接收到的頻率比振針的振動頻率小，故A、C正確。]
4．在t＝0時刻，汽車甲與乙分別距十字路口O處的距離為x甲和x乙。兩車分別以速率v甲和v乙沿水平的相互正交的公路勻速前進，如圖所示。汽車甲持續地以固定的頻率f0鳴笛，則下列說法正確的是(已知聲速為u，且有u>v甲、u>v乙)(　　)
A．當兩車均向O運動(在到達O之前)時，汽車乙的司機接收到的頻率一定比波源發出的頻率低
B．當兩車均向O運動(在到達O之前)時，汽車乙的司機接收到的頻率可能等于波源發出的頻率
C．當兩車均向遠離O的方向運動時，汽車乙的司機接收到的頻率一定比波源發出的頻率低
D．當兩車均向遠離O的方向運動時，汽車乙的司機接收到的頻率一定比波源發出的頻率高
C　[根據多普勒效應可知，當兩車均向O運動(在到達O之前)時，汽車乙的司機接收到的頻率一定比波源發出的頻率高；當兩車均向遠離O的方向運動時，汽車乙的司機接收到的頻率一定比波源發出的頻率低，故A、B、D錯誤，C正確。]
5．如圖所示，一頻率為600 Hz的聲源以一定角速度繞圓心O點做勻速圓周運動一圈。某觀察者站在離圓心O很遠的P點觀察。若觀察者接收到的聲音頻率小于600 Hz, 則可能是聲源在圖中哪點發出的(　　)
A．A點　　B．B點　　C．C點　　D．D點
C　[根據多普勒效應，當聲源向觀察者靠近時，觀察者接收到的聲音頻率高于聲源的頻率；當聲源遠離觀察者時，觀察者接收到的聲音頻率低于聲源的頻率。把速度方向標出來，A點有接近的趨勢，頻率變高；C點有遠離的趨勢，頻率變低；B、D點速度垂直PO，頻率不變，故選C。]
?題組二　多普勒效應的應用
6．平直公路上汽車正在勻速遠離時，用多普勒測速儀向其發出頻率為f0的超聲波，被汽車反射回來的超聲波的頻率隨汽車運動位移變化的圖像如圖所示，其中正確的是(　　)
A　　　　　　B
C　　　　　　D
D　[汽車正在勻速遠離，速度恒定，接收到的反射波的頻率也是恒定的。由于是遠離，汽車反射波的頻率應該小于發出波的頻率，D正確。]
7．蝙蝠在洞穴中飛來飛去時，它利用超聲脈沖導航非常有效。這種超聲脈沖的頻率高于20 000 Hz，能持續1 ms或不到1 ms的短促發射，且每秒重復發射數次。假定蝙蝠的超聲脈沖發射頻率為39 000 Hz，在一次朝著表面平直的墻壁飛撲的期間，下列說法正確的是(　　)
A．墻壁接收到的蝙蝠的超聲脈沖頻率等于39 000 Hz
B．蝙蝠接收到的從墻壁反射回來的超聲脈沖頻率等于墻壁接收的頻率
C．蝙蝠接收到的從墻壁反射回來的超聲脈沖頻率大于墻壁接收的頻率
D．蝙蝠接收到的從墻壁反射回來的超聲脈沖頻率等于39 000 Hz
C　[由于蝙蝠向墻壁靠近，所以墻壁接收的超聲脈沖頻率大于39 000 Hz，蝙蝠接收到的墻壁反射的超聲脈沖頻率大于墻壁接收的超聲脈沖頻率，故選C。]
8．汽車無人駕駛技術已逐漸成熟，最常用的是自適應巡航控制，它可以控制無人車在前車減速時自動減速、前車加速時自動跟上去，其使用的傳感器主要是毫米波雷達，該雷達會發射和接收調制過的無線電波，再通過回波的時間差和多普勒效應造成的頻率變化來測量目標的相對距離和相對速度。若該雷達發射的無線電波的頻率為f，接收到的波的頻率為f ′，則(　　)
A．當f＝f ′時，表明前車與無人車速度相同
B．當f＝f ′時，表明前車一定處于靜止狀態
C．當f ′>f時，表明前車相對無人車在加速行駛
D．當f ′A　[當波源和觀察者之間的距離不變化時，觀察者接收到的波的頻率和波源的頻率相等，故當f＝f ′時，說明二者之間的距離不變，表明前車與無人車速度相同，但不一定靜止，A正確，B錯誤；當f ′＞f時，無人車接收到的波的頻率增大，說明兩車距離減小，表明前車相對無人車在減速行駛，C錯誤；當f ′9．(多選)如圖所示，小球P一邊貼著水面每秒振動5次，一邊沿x軸正方向勻速移動，x＝0處是它的初始位置，圖示為恰經10個周期時觀察到的水面波。則下列說法正確的是(　　)
A．位于x軸正方向一側的觀測者，接收頻率大于5 Hz
B．位于x軸負方向一側的觀測者，接收頻率大于5 Hz
C．水面波的傳播速度是0.2 m/s，小球勻速移動的速度是0.1 m/s
D．水面波的傳播速度是0.4 m/s，小球勻速移動的速度是0.2 m/s
AC　[小球每秒振動5次，所以波的頻率為 5 Hz, 小球沿x軸正方向勻速移動，根據多普勒效應規律可知，位于x軸正方向一側的觀測者，接收頻率大于5 Hz，位于x軸負方向一側的觀測者，接收頻率小于 5 Hz, 所以A正確，B錯誤；小球的振動周期為T＝ s＝0.2 s，小球振動10個周期所用的時間為t＝10T＝2 s，小球的速度為v1＝ m/s＝0.1 m/s，水面波的傳播速度為v＝ m/s＝0.2 m/s，所以C正確，D錯誤。]
10．正在報警的警鐘每隔0.5 s響一聲，聲波在空氣中的傳播速度v＝340 m/s，警鐘已響了很久，求在t＝5 min內：
(1)如果警鐘不動，某人乘坐速度u＝20 m/s的汽車向警鐘接近，能聽到幾次鐘響？
(2)如果某人不動，汽車帶著警鐘以u＝20 m/s的速度向人接近，人能聽到幾次鐘響？
(3)如果人和警鐘都以u＝20 m/s的速度相互接近或遠離，人分別能聽到幾次鐘響？
[解析]　警鐘每隔0.5 s響一聲，發出響聲的等效頻率f＝ Hz＝2 Hz。
(1)警鐘不動，即波源靜止，則響聲的等效波長(兩次響聲間的距離)不變，λ＝，而響聲相對于人的傳播方向和人的運動方向相反，因此響聲相對于人的速度變為v＋u，所以人接收到的響聲的等效頻率為f1＝f，因此t＝5 min內聽到的鐘響次數n1＝tf1＝ 次≈635次。
(2)聲源向前運動，運動方向和聲波的傳播方向相同，則響聲的等效波長變短，λ2′＝；若人靜止不動，則響聲相對于人的速度沒有發生變化，則人接收到的響聲的等效頻率f2＝f，因此t＝5 min內聽到的鐘響次數n2＝tf2＝，計算得人能聽到637次鐘響。
(3)人和警鐘相互接近時，聲源運動方向和響聲傳播方向相同，則響聲的等效波長變短，λ3′＝；人的運動方向和響聲的傳播方向相反，則聲速相對于人增大，為v＋u，則人接收到的響聲的等效頻率f3＝f，因此t＝5 min內聽到的鐘響次數n3＝tf3＝次＝675次人和警鐘相互遠離時，聲源運動方向和響聲傳播方向相反，則響聲的等效波長變長，λ4′＝；人的運動方向和響聲的傳播方向相同，則聲速相對于人減小，為v－u，則人接收到的響聲的等效頻率f4＝f，因此t＝5 min內聽到的鐘響次數n4＝tf4＝次≈533次。
[答案]　(1)635次　(2)637次　(3)相互接近：675次　相互遠離：533次
21世紀教育網(www.21cnjy.com)5．多普勒效應
[學習目標]　1．知道什么是多普勒效應，知道它是波源與觀察者之間有相對運動時產生的現象。2．培養利用控制變量法探究問題的能力。 3．了解多普勒效應在實際生活中的應用。
　多普勒效應
【鏈接教材】　如人教版教材P79圖3.5-1所示：將一個以電池為電源的蜂鳴器固定在長竹竿的一端，閉合開關后聽一聽它發出的聲音。請一位同學用竹竿把蜂鳴器舉起并在頭頂快速轉動。
問題1　在幾米外聽到蜂鳴器的音調有何不同？
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問題2　實際上蜂鳴器的音調會變化嗎？
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問題3　聽到的音調發生變化的原因是什么？
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【知識梳理】　
1．定義：波源與觀察者相互__________時，接收到的波的____都會發生變化，這種現象叫作多普勒效應。
2．產生原因
(1)波源與觀察者相互靠近時，單位時間內通過觀察者的波峰(或密部)的數目____，觀察者觀測到的頻率____。
(2)波源與觀察者相互遠離時，單位時間內通過觀察者的波峰(或密部)的數目____，觀察者觀測到的頻率____。
提醒：無論波源與觀察者間是否有相對運動，是否發生多普勒效應，波源發出的波的頻率不變，改變的僅是接收的波的頻率。
【思考討論】
問題　只要觀察者與波源發生相對運動，就會產生多普勒效應，這種說法對嗎？為什么？
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1．多普勒效應的成因：發生多普勒效應時，一定是由于波源與觀察者之間發生了相對運動。
2．相對位置變化與頻率的關系(規律)
相對位置 圖示 結論
波源S和觀察者A相對靜止，如圖所示 f波源＝f觀察者，音調不變
波源S不動，觀察者A運動，由A→B或A→C，如圖所示 若靠近波源，由A→B，則f波源＜f觀察者，音調變高；若遠離波源，由A→C，則f波源>f觀察者，音調變低
觀察者A不動，波源S運動，由S→S2，如圖所示 f波源＜f觀察者，音調變高
【典例1】　(多普勒效應問題分析)如圖表示產生機械波的波源O做勻速運動的情況，圖中的圓表示波峰。
(1)該圖表示的是(　　)
A．干涉現象
B．衍射現象
C．反射現象
D．多普勒效應
(2)波源正在移向(　　)
A．A點　　 B．B點
C．C點 　 D．D點
(3)觀察到的波的頻率最低的點是(　　)
A．A點 　 B．B點
C．C點 　 D．D點
思路點撥：本題主要是對多普勒效應的分析，判斷問題時必須明確以下幾點：(1)常見的波動現象有哪些；(2)怎樣根據波形判斷波源的移動方向；(3)波源的移動對觀察到的波的頻率有何影響。
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　多普勒效應的判斷方法
(1)確定研究對象(波源與觀察者)。
(2)確定波源與觀察者是否有相對運動，若有相對運動，則發生多普勒效應；否則不發生。
(3)判斷：當兩者遠離時，觀察者接收到的波的頻率變小；當兩者靠近時，觀察者接收到的波的頻率變大，但波源的頻率均不變。
【典例2】　(由多普勒效應判斷頻率變化)春節假期，小明坐在沙發上用電視機觀看某科幻電影，情節緊張刺激、扣人心弦，與此同時，來訪的親友快步向客廳走來，小明的家長快步前去迎接，對于電視機發出的聲音，小明聽到的聲音頻率為f1，來訪的親友聽到的聲音頻率為f2，小明的家長聽到的聲音頻率為f3，則下列說法正確的是(　　)
A．f1>f2>f3 　 B．f2>f3>f1
C．f2>f1>f3 　 D．f3>f2>f1
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　多普勒效應的應用
1．測量汽車速度：交通警察向行進中的車輛發射____已知的超聲波，同時測量______的頻率，根據反射波________的多少就能知道車輛的速度。
2．測星球速度：測量星球上某些元素發出的光波的____，然后與地球上這些元素____時發光的頻率對照，可得星球的速度。
3．測血液流速：向人體內發射____已知的超聲波，超聲波被血管中的血流____后又被儀器接收，測出反射波的________，就能知道血流的速度。
【思考討論】　利用如圖所示的衛星跟蹤站，人們可以跟蹤人造地球衛星。
問題1　人們怎樣利用衛星跟蹤站觀測衛星？
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問題2　人們發現星球光譜的頻率在變小，說明什么問題？
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【典例3】　(多普勒效應的應用)(多選)下面實例中利用了多普勒效應的是(　　)
A．利用地球上接收到遙遠天體發出的光波的頻率來判斷遙遠天體相對于地球的運動速度
B．交通警察向行進中的汽車發射一個已知頻率的電磁波，波被運動的汽車反射回來時，根據接收到的頻率發生的變化，就可知汽車的速度，以便于交通管理
C．鐵路工人用耳貼在鐵軌上可判斷火車的運動情況
D．有經驗的戰士從炮彈飛行的尖嘯聲判斷飛行炮彈是接近還是遠去
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1．(多選)關于下列圖中的物理現象，描述正確的是(　　)
A．甲圖，水波由深水區傳播至淺水區，傳播方向改變，屬于波的反射現象
B．乙圖，兩列同頻率的水波在空間疊加，部分區域振動加強，屬于波的干涉現象
C．丙圖，用竹竿舉著蜂鳴器快速轉動，聽到蜂鳴器頻率發生變化，屬于波的多普勒效應
D．丁圖，水波穿過障礙物間的狹縫后，形成明暗相間的條紋，屬于波的干涉現象
2．(多選)如圖所示，男同學站立不動吹口哨，一位女同學坐在秋千上來回擺動，下列關于女同學感受到聲音變化的說法正確的是(　　)
A．女同學從A向B運動過程中，她感覺哨聲音調變高
B．女同學從E向D運動過程中，她感覺哨聲音調變高
C．女同學在C點向右運動時，她感覺哨聲音調不變
D．女同學在C點向左運動時，她感覺哨聲音調變低
3．如圖所示，向左勻速運動的小車發出頻率為f的聲波，車左側A處靜止的人感受到的聲波的頻率為f1，車右側B處靜止的人感受到的聲波的頻率為f2，則(　　)
A．f1＜f，f2＜f　　　　
B．f1＜f，f2＞f
C．f1＞f，f2＞f
D．f1＞f，f2＜f
回歸本節知識，完成以下問題：
1．為什么會產生多普勒效應現象？
2．發生多普勒效應時，波源的頻率發生變化了嗎？
3．多普勒效應的產生與觀察者距波源的遠近有關嗎？
宇宙學中的多普勒效應
20世紀20年代，美國天文學家斯萊弗在研究遠處的旋渦星云發出的光譜時，首先發現了光譜的紅移，認識到了旋渦星云正快速遠離地球。1929年哈勃根據光譜紅移總結出著名的哈勃定律：星系的遠離速度v與距地球的距離r成正比，即v＝H0r，H0為哈勃常數。根據哈勃定律和后來更多天體光譜紅移的測定，人們相信宇宙在長時間內一直在膨脹，宇宙的密度一直在變小。反推可以想象，宇宙在很久以前并沒有現在這么大，最初它可能很小。因此，伽莫夫和他的同事們提出了大爆炸宇宙模型，認為是一個極點大爆炸后，經長期地膨脹和演化而形成今天的宇宙。20世紀60年代以來，大爆炸宇宙模型逐漸被人們接受。
具有波動性的光也會出現多普勒效應，這被稱為多普勒—斐索效應，它使人們對距地球任意遠的天體的運動的研究成為可能，這只要分析一下接收到的光的頻譜就行了。1868年，英國天文學家威廉·哈金斯用這種辦法測量了天狼星的視向速度(即物體遠離我們的速度)，得出了46 km/s 的速度值。
1．多普勒效應是什么現象？
2．發生多普勒效應時波源的頻率是否發生了變化？
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第三章 機械波
5．多普勒效應
[學習目標]　1．知道什么是多普勒效應，知道它是波源與觀察者之間有相對運動時產生的現象。2．培養利用控制變量法探究問題的能力。 3．了解多普勒效應在實際生活中的應用。
[教用·問題初探]——通過讓學生回答問題來了解預習教材的情況
問題1　當車從你身邊疾馳而過的時候，鳴笛的音調會如何變化？
問題2　如果用竹桿拴著蜂鳴器運動，可能會有什么現象發生？
探究重構·關鍵能力達成
【鏈接教材】　如人教版教材P79圖3.5-1所示：將一個以電池為電源的蜂鳴器固定在長竹竿的一端，閉合開關后聽一聽它發出的聲音。請一位同學用竹竿把蜂鳴器舉起并在頭頂快速轉動。
知識點一　多普勒效應
問題1　在幾米外聽到蜂鳴器的音調有何不同？
提示：聽到的蜂鳴器的音調忽高忽低。
問題2　實際上蜂鳴器的音調會變化嗎？
提示：實際上蜂鳴器的音調不會變化。
問題3　聽到的音調發生變化的原因是什么？
提示：蜂鳴器與觀察者之間的相對位置變化，觀察者聽到的頻率發生變化。
【知識梳理】　
1．定義：波源與觀察者相互__________時，接收到的波的____都會發生變化，這種現象叫作多普勒效應。
2．產生原因
(1)波源與觀察者相互靠近時，單位時間內通過觀察者的波峰(或密部)的數目____，觀察者觀測到的頻率____。
(2)波源與觀察者相互遠離時，單位時間內通過觀察者的波峰(或密部)的數目____，觀察者觀測到的頻率____。
提醒：無論波源與觀察者間是否有相對運動，是否發生多普勒效應，波源發出的波的頻率不變，改變的僅是接收的波的頻率。
靠近或遠離
頻率
增加
變大
減少
變小
【思考討論】
問題　只要觀察者與波源發生相對運動，就會產生多普勒效應，這種說法對嗎？為什么？
提示：不對，如果觀察者繞著波源做圓周運動，雖然兩者間發生了相對運動，但觀察者接收的頻率與波源發出的頻率依然相等，并未發生多普勒效應。
【知識歸納】　
1．多普勒效應的成因：發生多普勒效應時，一定是由于波源與觀察者之間發生了相對運動。
2．相對位置變化與頻率的關系(規律)
相對位置 圖示 結論
波源S和觀察者A相對靜止，如圖所示
f波源＝f觀察者，音調不變
相對位置 圖示 結論
波源S不動，觀察者A運動，由A→B或A→C，如圖所示 若靠近波源，由A→B，則f波源＜f觀察者，音調變高；若遠離波源，由A→C，則f波源>f觀察者，音調變低
觀察者A不動，波源S運動，由S→S2，如圖所示
f波源＜f觀察者，音調變高
【典例1】　(多普勒效應問題分析)如圖表示產生機械波的波源O做勻速運動的情況，圖中的圓表示波峰。
(1)該圖表示的是(　　)
A．干涉現象
B．衍射現象
C．反射現象
D．多普勒效應
√
(2)波源正在移向(　　)
A．A點　　 B．B點
C．C點 　 D．D點
(3)觀察到的波的頻率最低的點是(　　)
A．A點 　 B．B點
C．C點 　 D．D點
√
思路點撥：本題主要是對多普勒效應的分析，判斷問題時必須明確以下幾點：(1)常見的波動現象有哪些；(2)怎樣根據波形判斷波源的移動方向；(3)波源的移動對觀察到的波的頻率有何影響。
√
[解析]　(1)由于題圖所示波源左方的波面密集，右方的波面稀疏，可知該圖表示的是多普勒效應中波源運動的情況，即D選項正確。
(2)由于波源左方的波長被壓縮，右方的波長被拉長，可知波源正在移向A點，即A選項正確。
(3)由于波源遠離B點，由題圖分析可知在B點觀察到的波的頻率最低，即B選項正確。
規律方法　多普勒效應的判斷方法
(1)確定研究對象(波源與觀察者)。
(2)確定波源與觀察者是否有相對運動，若有相對運動，則發生多普勒效應；否則不發生。
(3)判斷：當兩者遠離時，觀察者接收到的波的頻率變小；當兩者靠近時，觀察者接收到的波的頻率變大，但波源的頻率均不變。
【典例2】　(由多普勒效應判斷頻率變化)春節假期，小明坐在沙發上用電視機觀看某科幻電影，情節緊張刺激、扣人心弦，與此同時，來訪的親友快步向客廳走來，小明的家長快步前去迎接，對于電視機發出的聲音，小明聽到的聲音頻率為f1，來訪的親友聽到的聲音頻率為f2，小明的家長聽到的聲音頻率為f3，則下列說法正確的是(　　)
A．f1>f2>f3 　 B．f2>f3>f1
C．f2>f1>f3 　 D．f3>f2>f1
√
C　[設電視機發出聲音的頻率為f0，由題意可知小明相對于電視機靜止不動，則有f1＝f0，來訪的親友相對在靠近電視機，根據多普勒效應可知f2>f0, 小明的家長相對在遠離電視機，根據多普勒效應可知f3f1>f3，故選C。]
1．測量汽車速度：交通警察向行進中的車輛發射____已知的超聲波，同時測量______的頻率，根據反射波________的多少就能知道車輛的速度。
2．測星球速度：測量星球上某些元素發出的光波的____，然后與地球上這些元素____時發光的頻率對照，可得星球的速度。
3．測血液流速：向人體內發射____已知的超聲波，超聲波被血管中的血流____后又被儀器接收，測出反射波的________，就能知道血流的速度。
知識點二　多普勒效應的應用
頻率
反射波
頻率變化
頻率
靜止
頻率
反射
頻率變化
【思考討論】　利用如圖所示的衛星跟蹤站，人們可以跟蹤人造地球衛星。
問題1　人們怎樣利用衛星跟蹤站觀測衛星？
提示：一旦衛星經過跟蹤站上空，地面接收到的信號頻率就會先增大后減小，人們根據接收到的信號頻率變化來觀察衛星。
問題2　人們發現星球光譜的頻率在變小，說明什么問題？
提示：說明星球正在遠離地球。
【典例3】　(多普勒效應的應用)(多選)下面實例中利用了多普勒效應的是(　　)
A．利用地球上接收到遙遠天體發出的光波的頻率來判斷遙遠天體相對于地球的運動速度
B．交通警察向行進中的汽車發射一個已知頻率的電磁波，波被運動的汽車反射回來時，根據接收到的頻率發生的變化，就可知汽車的速度，以便于交通管理
C．鐵路工人用耳貼在鐵軌上可判斷火車的運動情況
D．有經驗的戰士從炮彈飛行的尖嘯聲判斷飛行炮彈是接近還是遠去
√
√
√
ABD　[利用光波的多普勒效應可以測定遙遠天體相對于地球的運動速度，A選項正確；被反射的電磁波相當于一個運動的物體發出的電磁波，其頻率發生變化，由多普勒效應可求出運動物體的速度，B選項正確；鐵路工人根據鐵軌振動的強弱而非頻率的高低來對列車的運動做出判斷，C選項錯誤；炮彈飛行時與空氣摩擦產生聲波，人耳接收到的頻率與炮彈的相對運動方向有關，D選項正確。]
應用遷移·隨堂評估自測
1．(多選)關于下列圖中的物理現象，描述正確的是(　　)
A．甲圖，水波由深水區傳播至淺水區，傳播方向改變，屬于波的反射現象
B．乙圖，兩列同頻率的水波在空間疊加，部分區域振動加強，屬于波的干涉現象
C．丙圖，用竹竿舉著蜂鳴器快速轉動，聽到蜂鳴器頻率發生變化，屬于波的多普勒效應
D．丁圖，水波穿過障礙物間的狹縫后，形成明暗相間的條紋，屬于波的干涉現象
√
√
BC　[題圖甲中水波從深水區傳到淺水區改變傳播方向的現象，是波的折射現象，故A錯誤；題圖乙中兩列同頻率的水波在空間疊加，部分區域振動加強，屬于波的干涉現象，故B正確；題圖丙中，用竹竿舉著蜂鳴器快速轉動，聽到蜂鳴器頻率發生變化，屬于波的多普勒效應，故C正確；題圖丁中，水波穿過障礙物間的狹縫后，能傳播至兩側區域，屬于波的衍射現象，故D錯誤。故選BC。]
2．(多選)如圖所示，男同學站立不動吹口哨，一位女同學坐在秋千上來回擺動，下列關于女同學感受到聲音變化的說法正確的是(　　)
A．女同學從A向B運動過程中，她感覺哨聲音調
變高
B．女同學從E向D運動過程中，她感覺哨聲音調
變高
C．女同學在C點向右運動時，她感覺哨聲音調不變
D．女同學在C點向左運動時，她感覺哨聲音調變低
√
√
AD　[由題圖可知，女同學蕩秋千的過程中，只要她有向右的速度，她就在靠近聲源，根據多普勒效應，她接收到的哨聲頻率變高，音調變高；反之女同學向左運動時，她感受到音調變低，A、D正確，B、C錯誤。]
3．如圖所示，向左勻速運動的小車發出頻率為f 的聲波，車左側A處靜止的人感受到的聲波的頻率為f1，車右側B處靜止的人感受到的聲波的頻率為f2，則(　　)
A．f1＜f，f2＜f　　 B．f1＜f，f2＞f
C．f1＞f，f2＞f 　 D．f1＞f，f2＜f
√
D　[由題意可知，聲源靠近A處的人，由多普勒效應可知，A處的人接收到聲波的頻率變大，即f1>f；同理可知B處的人接收到聲波的頻率變小，即f2回歸本節知識，完成以下問題：
1．為什么會產生多普勒效應現象？
提示：觀察者與波源存在相對運動。
2．發生多普勒效應時，波源的頻率發生變化了嗎？
提示：沒有變化。
3．多普勒效應的產生與觀察者距波源的遠近有關嗎？
提示：無關。
宇宙學中的多普勒效應
20世紀20年代，美國天文學家斯萊弗在研究遠處的旋渦星云發出的光譜時，首先發現了光譜的紅移，認識到了旋渦星云正快速遠離地球。1929年哈勃根據光譜紅移總結出著名的哈勃定律：星系的遠離速度v與距地球的距離r成正比，即v＝H0r，H0為哈勃常數。根據哈勃定律和后來更多天體光譜紅移的測定，人們相信宇宙在長時間內一直在膨脹，宇宙的密度一直在變小。反推可以想象，宇宙在
閱讀材料·拓展物理視野
很久以前并沒有現在這么大，最初它可能很小。因此，伽莫夫和他的同事們提出了大爆炸宇宙模型，認為是一個極點大爆炸后，經長期地膨脹和演化而形成今天的宇宙。20世紀60年代以來，大爆炸宇宙模型逐漸被人們接受。
具有波動性的光也會出現多普勒效應，這被稱為多普勒—斐索效應，它使人們對距地球任意遠的天體的運動的研究成為可能，這只要分析一下接收到的光的頻譜就行了。1868年，英國天文學家威廉·哈金斯用這種辦法測量了天狼星的視向速度(即物體遠離我們的速度)，得出了46 km/s 的速度值。
問題
1．多普勒效應是什么現象？
提示：當波源與觀察者發生相對運動時，接收到的波的頻率發生改變的現象。
2．發生多普勒效應時波源的頻率是否發生了變化？
提示：沒有。
題號
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√
?題組一　多普勒效應
1．在下列現象中，可以用多普勒效應解釋的有(　　)
①雷雨天看到閃電后，稍過一會兒才能聽到雷聲
②超聲波被血管中的血流反射后，探測器接收到的超聲波頻率發生變化
③觀察者聽到遠去的列車發出的汽笛聲音調變低
④天文學上觀察到雙星(相距較近、均繞它們連線上某點做圓周運動的兩顆恒星)光譜隨時間的周期性變化
A．①②③　B．①②④　C．①③④　D．②③④
課時分層作業(十五)　多普勒效應
D　[①看到閃電后，稍過一會兒才能聽到雷聲，是光和聲音在空氣中的傳播速度不同造成的，故①錯誤；②探測器接收到的超聲波頻率發生變化，是由于血液發生流動，探測器與血液的觀測點的距離發生變化，可以用多普勒效應解釋，故②正確；③觀察者聽到遠去的列車發出的汽笛聲音調變低是由于列車與觀察者的距離發生變化，可以用多普勒效應解釋，故③正確；④觀察者與雙星的距離發生變化，接收到的頻率發生變化，產生周期性變化的光譜，屬于多普勒效應，故④正確。故選D。]
題號
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√
2．(多選)讓一隊人沿街行走，觀察者站在街旁不動，每分鐘有30人與觀察者相遇，如果觀察者以小于隊伍行進的速度順著隊伍行走，每分鐘有20人與觀察者相遇，下列關于這一實例的分析正確的是(　　)
A．如果觀察者逆著隊伍行走，每分鐘與觀察者相遇的人數將大于30人
B．該實例與多普勒效應原理相同
C．多普勒效應的本質是波源的頻率發生了變化
D．“隔墻有耳”是多普勒效應
題號
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√
AB　[如果觀察者逆著隊伍行走，根據運動的相對性可知每分鐘與觀察者相遇的人數將大于30人，故A正確；波在介質中傳播時頻率不變，只是由于波源和觀察者之間有相對運動，觀察者感覺到(或儀器設備接收到)的頻率發生了變化，這樣就形成了多普勒效應，故B正確，C錯誤；“隔墻有耳”屬于波的衍射現象，故D錯誤。]
題號
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√
3．(多選)將上下振動的振針水平移動，移動過程中在水面上形成了如圖所示的水波圖形，下列說法正確的是(　　)
A．振針向右移動
B．振針向左移動
C．在A處的觀察者接收到的水波頻率比振針的振動頻率小
D．在A處的觀察者接收到的水波頻率比振針的振動頻率大
題號
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√
AC　[振針(波源)前進方向上的水波變得密集，在其反方向的水波變得稀疏，因此振針向右移動；由于波源遠離觀察者時，水波波長變長，觀察者接收到的頻率比振針的振動頻率小，故A、C正確。]
4．在t＝0時刻，汽車甲與乙分別距十字路口O處的距離為x甲和x乙。兩車分別以速率v甲和v乙沿水平的相互正交的公路勻速前進，如圖所示。汽車甲持續地以固定的頻率f0鳴笛，則下列說法正確的是(已知聲速為u，且有u>v甲、u>v乙)(　　)
題號
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A．當兩車均向O運動(在到達O之前)時，汽車乙的司機接收到的頻率一定比波源發出的頻率低
B．當兩車均向O運動(在到達O之前)時，汽車乙的司機接收到的頻率可能等于波源發出的頻率
C．當兩車均向遠離O的方向運動時，汽車乙的司機接收到的頻率一定比波源發出的頻率低
D．當兩車均向遠離O的方向運動時，汽車乙的司機接收到的頻率一定比波源發出的頻率高
題號
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√
題號
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C　[根據多普勒效應可知，當兩車均向O運動(在到達O之前)時，汽車乙的司機接收到的頻率一定比波源發出的頻率高；當兩車均向遠離O的方向運動時，汽車乙的司機接收到的頻率一定比波源發出的頻率低，故A、B、D錯誤，C正確。]
√
5．如圖所示，一頻率為600 Hz的聲源以一定角速度繞圓心O點做勻速圓周運動一圈。某觀察者站在離圓心O很遠的P點觀察。若觀察者接收到的聲音頻率小于600 Hz, 則可能是聲源在圖中哪點發出的(　　)

A．A點　　B．B點　　C．C點　　D．D點
題號
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C　[根據多普勒效應，當聲源向觀察者靠近時，觀察者接收到的聲音頻率高于聲源的頻率；當聲源遠離觀察者時，觀察者接收到的聲音頻率低于聲源的頻率。把速度方向標出來，A點有接近的趨勢，頻率變高；C點有遠離的趨勢，頻率變低；B、D點速度垂直PO，頻率不變，故選C。]
題號
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?題組二　多普勒效應的應用
6．平直公路上汽車正在勻速遠離時，用多普勒測速儀向其發出頻率為f0的超聲波，被汽車反射回來的超聲波的頻率隨汽車運動位移變化的圖像如圖所示，其中正確的是(　　)
題號
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D　[汽車正在勻速遠離，速度恒定，接收到的反射波的頻率也是恒定的。由于是遠離，汽車反射波的頻率應該小于發出波的頻率，D正確。]
A　　　　　　B
C　　　　　　D
√
√
7．蝙蝠在洞穴中飛來飛去時，它利用超聲脈沖導航非常有效。這種超聲脈沖的頻率高于20 000 Hz，能持續1 ms或不到1 ms的短促發射，且每秒重復發射數次。假定蝙蝠的超聲脈沖發射頻率為39 000 Hz，在一次朝著表面平直的墻壁飛撲的期間，下列說法正確的是(　　)
A．墻壁接收到的蝙蝠的超聲脈沖頻率等于39 000 Hz
B．蝙蝠接收到的從墻壁反射回來的超聲脈沖頻率等于墻壁接收的頻率
C．蝙蝠接收到的從墻壁反射回來的超聲脈沖頻率大于墻壁接收的頻率
D．蝙蝠接收到的從墻壁反射回來的超聲脈沖頻率等于39 000 Hz
題號
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C　[由于蝙蝠向墻壁靠近，所以墻壁接收的超聲脈沖頻率大于39 000 Hz，蝙蝠接收到的墻壁反射的超聲脈沖頻率大于墻壁接收的超聲脈沖頻率，故選C。]
8．汽車無人駕駛技術已逐漸成熟，最常用的是自適應巡航控制，它可以控制無人車在前車減速時自動減速、前車加速時自動跟上去，其使用的傳感器主要是毫米波雷達，該雷達會發射和接收調制過的無線電波，再通過回波的時間差和多普勒效應造成的頻率變化來測量目標的相對距離和相對速度。若該雷達發射的無線電波的頻率為f，接收到的波的頻率為f ′，則(　　)
A．當f＝f ′時，表明前車與無人車速度相同
B．當f＝f ′時，表明前車一定處于靜止狀態
C．當f ′>f 時，表明前車相對無人車在加速行駛
D．當f ′√
題號
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A　[當波源和觀察者之間的距離不變化時，觀察者接收到的波的頻率和波源的頻率相等，故當f＝f ′時，說明二者之間的距離不變，表明前車與無人車速度相同，但不一定靜止，A正確，B錯誤；當f ′＞f 時，無人車接收到的波的頻率增大，說明兩車距離減小，表明前車相對無人車在減速行駛，C錯誤；當f ′題號
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9．(多選)如圖所示，小球P一邊貼著水面每秒振動5次，一邊沿x軸正方向勻速移動，x＝0處是它的初始位置，圖示為恰經10個周期時觀察到的水面波。則下列說法正確的是(　　)
A．位于x軸正方向一側的觀測者，接收頻率大于5 Hz
B．位于x軸負方向一側的觀測者，接收頻率大于5 Hz
C．水面波的傳播速度是0.2 m/s，小球勻速移動的速度是0.1 m/s
D．水面波的傳播速度是0.4 m/s，小球勻速移動的速度是0.2 m/s
√
題號
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10．正在報警的警鐘每隔0.5 s響一聲，聲波在空氣中的傳播速度v＝340 m/s，警鐘已響了很久，求在t＝5 min內：
(1)如果警鐘不動，某人乘坐速度u＝20 m/s的汽車向警鐘接近，能聽到幾次鐘響？
(2)如果某人不動，汽車帶著警鐘以u＝20 m/s的速度向人接近，人能聽到幾次鐘響？
(3)如果人和警鐘都以u＝20 m/s的速度相互接近或遠離，人分別能聽到幾次鐘響？
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[答案]　(1)635次　(2)637次　(3)相互接近：675次　相互遠離：533次

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