1.6 用智能手机定量验证多普勒效应 教学设计 -2024-2025学年高二上学期物理教科版（2019）选择性必修第一册

教育科学出版社高中物理选择性必修第一册第六节——用智能手机定量验证多普勒效应 《多普勒效应》选自教育科学出版社高中物理选择性必修第一册“第三章机械波”中第六节的内容，新课标对本节课的要求是：通过实验，认识多普勒效应。能解释多普勒效应产生的原因。多普勒效应比较抽象，教学中往往受到实验仪器条件限制，更多是让学生直接通过看视频及听声音来理解多普勒效应，学生无法经历动手实验，学生的学习效果不尽人意。为此，笔者设法利用智能手机让学生首先体验视频和实验演示认识多普勒效应，然后组织学生定量验证多普勒效应，整节课中，由生活现象发现问题，让问题驱动实验探究，从实践探究中收获知识，提升能力，发展学生的学科核心素养。下面我将从实验基本信息、实验设计思路与创新点、实验目标、教学过程、实验效果评价、实验反思六个方面展开说课。 一、实验基本信息 （一）教材分析 教材主要通过生活案例和理论分析来认识多普勒效应，学生可探究的实验较少，缺乏体验，对知识理解不深刻，教学效果不佳。为此，我对本节内容进行创新实验设计，让学生在实验中认识多普勒效应，增强实验说服力。 （二）学情分析 1.学生在初中时已经学习“音量”、“音调”等概念，并在本章前面学习了机械波产生、传播及波的干涉等知识，具备一定的知识基础。 2.学生已熟练掌握控制变量法。 3.学生已具备一定的信息技术基础，能熟练操作智能手机。 （三）实验内容 1.体验相同音量不同音调的声音的差异 2.实验演示多普勒效应 3.定量验证多普勒效应 （四）实验器材 网兜和两部带有音频发声器和音频接收器软件的智能手机 图2 两部智能手机 图1 网兜 二、实验设计与创新点 借助智能手机软件的音频播放器功能，可以播放相同音量不同频率的声音，让学生更好辨别音调与音量的差异，保持音量一定，转动频率调节旋钮，先让频率增大，而后让频率减小，注意听声音的变化。 图3 智能手机音频播放器 图5两部智能手机 图4 网兜 借助智能手机及相关软件，学生在课中能真实体验到多普勒效应，且能定量验证多普勒效应，避免主观听觉判断声音音调高低的不严谨性，增强实验说服力。 三、实验目标 （一）物理观念 理解“观察者运动”和“波源运动”而引起的多普勒效应的原因。 （二）科学思维 通过实验探究、综合分析、基于证据和逻辑判断得出实验结论。 （3） 科学探究 感受现象，主动思考、分析，展开讨论与交流，从而发现多普勒效应的产生原因。 （四）科学态度与责任 1.敢于质疑创新、不迷信课本、实事求是的科学态度 2.应用所学知识解释生活中有关多普勒效应现象 四、教学过程 （一）新课引入 让学生观看一段鸣笛的火车从靠近到远离的视频，引导学生注意听火车汽笛声音的变化。 设计意图：创设情景，激发学生学习兴趣和好奇心。让学生通过观看生活中火车鸣笛的视频，发现鸣笛的火车从靠近到远离时，汽笛的音调会发生变化的现象，进而激发学生的思考：鸣笛的火车音调为什么会发生变化？是声源的音调发生改变？让问题调动学生学习兴趣。 （二）体验相同音量不同音调的区别 智能手机软件的音频播放器功能，可以播放相同音量不同频率的声音，让学生更好辨别音调与音量的差异，保持音量一定，转动频率调节旋钮，先让频率增大，而后让频率减小，注意听声音的变化。 设计意图：利用智能手机phyphox”软件中“音频播放器”功能，可以自主选择特定频率的声音，而且可供选择的频率范围很广，让学生能在课堂中真实体验到相同音量，不同音调差异，从中让学生更加深刻区分音量和音调的差异。且能通过声音尖锐或低沉程度来初步判断出声音的音调高低。 （三）实验演示多普勒效应 利用智能手机“phyphox”软件中“音频播放器”功能播放特定频率的声音，然后将智能手机放在网兜里，并将网兜细绳系在手中，保持智能手机静止时，让学生此时仔细听手机的发声音调，接着手拉网兜细绳让网兜及智能手机在水平面上做圆周运动，让智能手机不停地靠近或远离学生，此时让学生注意听声音的音调是否发生变化？靠近时，音调如何变化？远离时，音调变化如何？手机的声源的频率是否发生改变？ 图6 实验演示多普勒效应 设计意图：课堂重现多普勒效应现象发现过程，从中让学生经历亲身体验活动，更深刻理解多普勒效应的历史发现过程。同时经历课堂中的探究实验，也让学生得出由于声源与观察者发生相对运动时，观测者听到的声音的音调发生变化，而波源的音调（频率）是没有发生改变的探究结论，这为后续进一步探究多普勒效应产生的原因做铺垫。 （四）定量验证多普勒效应 实验准备： 首先启发引导学生设计实验方案，选择实验器材。接着向学生介绍智能手机中“phyphox”软件的“音频播放器”和“音频自相关”功能。实验中将会选择一部智能手机作为声源，打开其“phyphox”软件中“音频播放器”功能，设置好5000Hz的声音，选择另一部智能手机作为观测者，打开其“phyphox”软件中“音频自相关”功能，用来接收并显示接收到声波的频率。 实验流程： 1.让两部手机均静止，对比声源的频率和观测者接收的频率大小关系 2.充当观测者手机保持静止，波源手机分别远离和靠近观测者手机，对比声源的频率和观测者接收的频率大小关系 3.波源手机保持静止，充当观测者的手机分别远离和靠近波源的手机，对比声源的频率和观测者接收到波的频率大小关系 波源运动情况 观察者运动情况 波源频率f0 观察者接收频率f与f0是否相等 静止 静止 5000Hz 远离观察者 静止 5000Hz 靠近观察者 静止 5000Hz 静止 观察者远离波源 5000Hz 静止 观察者靠近波源 5000Hz 表1：实验数据记录表 图7 课堂验证多普勒效应实验 设计意图：由于受到实验器材客观条件制约，无法在课堂中定量地验证多普勒效应，教师在教学中更多通过让学生观看视频或让学生通过耳朵进行判断声音的音调变化，主观性强，缺乏说服力，教学效果大打折扣，而本节课借助智能手机中软件，让学生在真实的实验探究中获得规律，提高学生科学探究能力，发展了学生科学探究核心素养，且实验取得与预期一样的效果。 五、实验效果评价 1.实验器材简便，成本低、操作简单、现象明显。 2.能定量验证多普勒效应，增强实验的说服力。 3.借助手机录屏和慢放功能，可以更方便观察观察者接收波的频率。 六、实验反思 第一，本节课应用智能手机的“phyphox”软件开展多普勒效应实验研究，并取得了不错的实验效果，此外，手机还有录屏和慢放投屏等功能，显示出智能手机已然成为高中物理实验探究一件重要工具。 第二，本节课噪声对实验影响不可避免，但是通过保持实验环境安静，减少声音反射，调大实验声音音量等方式可以有效减少噪声对本实验的影响，使得实验效果更好。 第三，如何制作低成本实验仪器，满足日常教学需求，还需不断探索。 第 1 页 学科网（北京）股份有限公司 $$