3.5 多普勒效应 教学设计 -2025-2026学年高二下学期物理人教版选择性必修第一册

该高中物理教学设计聚焦多普勒效应，通过救护车视频无音频配音情境导入，引导学生关注音调变化，对比有声音频，区分波源频率与接收频率，搭建从生活现象到物理概念的学习支架。 特色在于融合科学探究与科学思维，利用手机phyphox软件分组实验、发波水槽演示，让学生经历设计、数据记录、归纳规律的过程，结合雷达测速、彩超等应用实例，培养学生科学态度与责任，为教师提供直观可操作的实验方案，提升课堂互动与知识应用能力。

第5节　多普勒效应 教学分析 教学目标 物理观念：通过实验，感受、了解多普勒效应，知道波源的频率与观察者接收到的频率的区别，深化运动与相互作用观念。 科学思维：运用手机软件分组实验，经历设计实验、获取信息、得到结论并进行交流的过程，探究多普勒效应的规律，提升科学探究素养。 科学探究：能通过模拟实验与水波实验，运用类比法，对现象归纳与综合，定性解释多普勒效应产生的原因，认识多普勒效应的本质，提高科学思维能力。 科学态度与责任：通过生活中的实例，了解多普勒效应在生活和生产中的普遍性，认识多普勒效应的本质，理解科学、技术、社会与环境的关系，继续体会科学态度在学习中的重要地位。 教学重难点 重点：了解多普勒效应的规律及其产生原因。 难点：定性解释多普勒效应的产生原因。 教学方法 小组合作探究法、实验法、模拟实验法、讲授法 课时安排 1课时 教学准备 手机、DIS数据采集器、声波传感器、网袋、细绳、多媒体教学设备 教学设计 一、情境导入 1.认识生活中的多普勒效应 创设情境：播放一段救护车由远及近的视频（关闭音频）。 请你根据画面，给这辆救护车配上警报声，力求惟妙惟肖。 教师追问：你在配音的时候，注意了哪些因素？ 再次播放有声音的音频，与同学的配音进行对比，指出救护车的警报由远至近的声音特点。 【设计意图】在引入环节创设了为救护车警报声配音这个情境，如果直接播放救护车的有声音的视频，学生往往会将答案归于音量的变化。采用配音的方式，学生经过自己的发音，比较容易注意到其中音调的变化。同时，学生进一步感受到物理就在我们的身边，物理不仅有趣，而且非常有用，从而激发学生的求知欲望，培养学生的学习兴趣。 二、新课讲授 演示：声音响度与音调的不同 ①利用手机phyphox软件中的音频发生器，发出0.7 kHz信号，通过传感器接收在屏幕中显示出波形，并提醒学生认真听这个声音。 ②保持信号源频率不变，增大手机播放音量，感受声音的变化，观察波形的变化。 实验现象：听到音量明显变大，看到振幅增大。 结论1：声音的响度由振幅决定。 ③保持响度不变，改变音调（信号源发出1.5kHz信号），观察波形的变化。 实验现象：声音产生明显变化，屏幕中呈现出的完整波形数增多。 结论2：频率增大，完整波形数增多，频率减小，完整波形数减少。 单位时间内传播的完整波的个数可以表示频率的大小，声音的音调由频率决定。 （3）再次播放救护车视频，提出问题：救护车警报的频率发生变化了吗？ 这是学生理解的易错点。前面学过，频率是由波源决定，波源不变，频率不变。这里发生变化的是接收到的频率。所以，要区分波源的频率与接收到的频率。由此提出多普勒效应。 【设计意图】声音在发生多普勒效应时，响度变化是一个无法排除的干扰因素。学生在进行观察时首先感觉到的是声音响度的变化，音调的变化被掩盖在了音量的变化之中。所以，这里我设计了一个演示实验。首先从感官上让他们感受到响度变化与音调变化的不同，其次通过波形图的变化，进一步体会响度与音调的决定因素。由表及里，由浅入深，突破学生的模糊点后，再次播放视频，再次分析响度为什么变化，听到的音调为什么变化，引入课题。 2. 探究多普勒效应的规律 【环节一】现场感受多普勒效应 实验准备：手机（内装phyphox软件），网袋，绳。 打开软件中“音频发生器”，调节频率为2kHz，将手机放入网袋，教师抓牢绳子，在上方转动手机，让手机不断靠近、远离学生。 实验现象：随着手机距离的远近变化，学生听到手机音调升高、降低，感受多普勒效应。 问题：如果我们能够把接收到的频率的变化用数据展现出来会更清楚，可以怎么做呢？ 【环节二】实验探究：每组2部手机（内装phyphox软件） 学生分组实验，甲乙两名同学，各持一部手机，分别作为声源和接收者，两人间隔大约1m站立，其中一个手机分别靠近、远离另一部手机，接收者利用软件记录手机接收频率情况。 问题：可以分几种情况进行？设计表格并记录 ①甲同学打开“phyphox”中的“音频发生器”，频率设定为2000Hz，播放声音。 ②乙同学打开“phyphox”中的“多普勒效应”，保持不动，记录接收声音频率。 甲同学手机保持不动，乙同学手机分别迅速靠近、远离甲同学手机，乙同学读取接收到的频率。 ③乙同学手机保持不动，甲同学手机分别迅速靠近、远离乙同学手机，乙同学读取接收到的频率。 声源运动情况 接收者运动情况 相对运动关系 接收到的频率变化情况 （填大于、小于或等于） 声源静止 接收者静止 相对静止 接收到 的频率 声源的频率 声源静止 接收者靠近声源 相对靠近 声源静止 接收者远离声源 相对远离 声源靠近接收者 接收者静止 相对靠近 声源远离接收者 接收者静止 相对远离 学生讨论实验现象，分析实验结果，总结出多普勒效应的规律：当波源和观察者相对靠近时，观察者接收到的频率大于波源的频率；当波源和观察者相对远离时，观察者接收到的频率小于波源的频率。 【设计意图】本探究环节设计分为两部分：学生首先通过演示实验，体验身边的多普勒效应，感受到了手机远近变化中，接收到的频率有所不同，这是感官上的体验。而后通过实验进行定性的探究，接收到的频率到底是多少？有波源频率相比，有多大的差别？这个过程中，学生从感官体验，到定量探究，体现了物理教学的实践性和科学性，学生通过多组实验，经历归纳推理的科学思维过程，得出结论，培养了学生的创造性思维与探究能力。利用智能手机测数据，大大提高了实验的信度，不仅辅助了物理课堂教学，还培养了学生实事求是的科学态度。 3. 分析多普勒效应的产生原因 【环节一】学生模拟：分析波源不动，观察者发生相对运动的情况 每20秒假设有20个人经过（队伍的出发点视为“波源”），我们可以认为观察者在20s内接收到20个完整的波形。 而后分别让观察者靠近、远离波源： 问题1：观察者靠近波源时，20秒经过观察者的人数有什么变化？这反映了什么？ 问题2：观察者远离波源时，20秒经过观察者的人数有什么变化？这反映了什么？ 结论：观察者靠近或远离波源时，由于波源相对观察者速度的变化，使接收到的频率发生变化。 【设计意图】通过类比的思维方法，观察者在一定时间内看到的经过他的人的数量，即接收者观察到的完整波的个数，将抽象的过程形象化，为理解多普勒效应的成因做好铺垫。 【环节二】演示实验：利用发波水槽演示观察者不动，波源发生相对运动的情况 问题3：波源运动时，水波的波长有何变化？（在波源运动方向上变短，在波源运动反方向变长） 问题4：波源运动与静止时，波速有变化吗？ 问题5：你能从波长、波速与频率的关系中，找到水波多普勒效应的产生原因吗？ 结论：当波源靠近或远离观察者时，由于波长发生变化，使接收到的频率发生变化。 【设计意图】学生模拟实验，是用形象化的展示描述抽象的问题。演示实验，显示波长的变化，现象清晰明显，直观易懂，便于学生理解多普勒现象的科学本质。最后教师总结，我们对于一个问题的认识，总是从现象入手，通过体验、理论和实验探究，得到规律，而后分析其成因，也就是探求科学本质，这是研究物理现象和规律的基本科学方法。 4.多普勒效应的应用 本节课在研究多普勒效应时利用了声波和水波，都是机械波，不仅机械波有多普勒效应，理论和实验都证明，光波或电磁波都有多普勒效应。多普勒效应在科学技术中有着广泛的应用。 （1）测量运动物体的速度（多用途雷达测速仪）。交通警察可以向运动的汽车发射一个频率已知的超声波，超声波被运动的汽车反射回来时，根据接收到的频率发生的变化，可以测算出汽车的运动速度。 （2）我国首台车载可移式多普勒激光雷达。你能尝试使用多普勒效应解释它的工作原理吗？ 2008年第二十九届奥运会帆船比赛在青岛举行，在帆船赛气象保障中，我国首台车载可移式多普勒测风激光雷达为帆船赛的天气预报提供精准的服务，该系统被称为奥运会十大高科技应用之一。 （3）医学上的应用也非常突出：为了检查心脏、血管中血液流动速度，可以通过发射超声波来实现。你能解释其中的原理吗？ 在超声诊断中，超声探头保持不动，向人体内发射超声波；遇到血流等运动目标时发生反射，反射波携带了目标运动的信息；这种反射波再被探头接收，经过处理加上彩色编码，形成图像叠加在二维图像上，就形成了彩超的图像。 （4）红移现象：多普勒效应也被应用于天文学，我们知道星体都在不停地运动。星体远离我们时，我们接收到的星光频率变小，星光颜色向红端移动。科学家由红移的大小可以算出星体远离的速度，这是宇宙膨胀理论的有力证据。从而引发了科学家们宇宙大爆炸理论的猜想。 【设计意图】了解多普勒效应在生活和生产中的普遍性，使学生充分感受到科技带给社会的改变，认识多普勒效应的本质，进一步理解科学、技术、社会与环境的关系。这一部分没有停留在简单的介绍上，而是要求学生根据多普勒效应的规律设想应用，或者解释现象。最后将声波的多普勒效应推广到光波。本节课从生活出发，又回归到生活中，增强学生将物理知识与生活实际联系的意识，鼓励学生保持对未知世界的好奇心和探索科学本质的欲望。 三、例题展示 【例题1】下列现象可以用多普勒效应解释的是（　　） A．雷雨天看到闪电后，稍过一会儿才能听到雷声 B．当车向你疾驰而过时，听到的鸣笛音调会由高变低 C．把耳朵贴在墙壁上，能够听到隔壁房间的说话声 D．微风激起的水波遇到芦苇等细小障碍物，会继续传播 例题分析 A． 雷雨天看到闪电后，稍过一会儿才能听到雷声，是因为光的速度大于声音的传播速度，A错误； B．当车向你疾驰而过时，听到的鸣笛音调会由高变低，是因为波源与观察者之间的距离先逐渐减小后逐渐增大，接收者接收到的声音的频率先大于波源的频率后小于波源的频率，这属于多普勒效应，B正确； C．把耳朵贴在墙壁上，能够听到隔壁房间的说话声，这是声音通过墙壁传播，C错误； D．微风激起的水波遇到芦苇等细小障碍物，会继续传播，这是波的衍射现象，D错误； 例题解答 B 本知识点设计说明 多普勒现象的辨析。 【变式训练1】宇宙中的星球都在不停地运动。测量某星球上某些元素发出的光波的频率，然后与地球上这些元素静止时发光的频率对照，就可以算出该星球靠近或远离我们的速度。其运用的原理是（　　） A．波的干涉 B．波的衍射 C．波的反射 D．多普勒效应 答案 D 【例题2】 （多选）超声波是一种频率高于20000Hz的声波，波长很短，广泛应用于生活与生产实践，关于超声波及应用，下列说法正确的是（　　） A．在同种介质中，超声波的速度大于次声波的速度 B．超声波的频率越高，衍射本领越弱 C．高速公路上的测速仪接收到的超声波频率大于发出的超声波频率，说明此时车正在靠近测速仪 D．“彩超”检查身体时，利用了超声波的多普勒效应 例题分析 A．在同种介质中，超声波的传播速度与次声波的速度一样，故A错误； B．超声波的频率越高，波长越短，越不容易发生衍射，衍射本领越弱，故B正确； C．高速公路上的测速仪接收到的超声波频率大于发出的超声波频率，根据多普勒效应可知此时车正在靠近测速仪，故C正确； D．“彩超”检查身体时，利用了超声波的多普勒效应，故D正确。 例题解答 BCD 本知识点设计说明 通过超声波这一现象，能够识别多普勒现象，并能够熟练运用多普勒现象的规律。 【变式训练2】 频率一定的声源在空气中向着静止的接收器匀速运动，以u表示声源的运动速度，v表示声波的传播速度（u<v），f表示接收器接收到的频率，若u增大，则（　　） A． f变大，v不变 B．f变大，v增大 C．f不变，v不变 D．f不变，v增大 答案 A 评价反馈 1.（多选）蝙蝠具有一种回声定位的特殊本领，它们在喉部产生短促而高频的超声波，经鼻或嘴传出后被附近物体反射回来形成回声，听觉神经中枢对回声本身以及发出声与回声间的差异进行分析，从而确定前方猎物的位置、大小、形状、结构以及运动速度与方向，下列说法正确的是（    ） A．不同蝙蝠发出不同频率的超声波可能发生干涉 B．蝙蝠发出的超声波进入水中后波长不变 C．蝙蝠产生高频的超声波目的是便于捕捉较小的猎物 D．蝙蝠听到回声的频率变高时，能判断出猎物正在靠近 【答案】CD 2. 机场附近每天都能听到飞机发动机的轰鸣声，一位父亲带着孩子散步的过程中，有一架飞机从上空匀速驶过，如图所示，问飞机从图中A位置到B位置过程中，他们所听到的轰鸣声的频率如何变化（　　） A．一直增大 B．一直减小 C．先增大，后减小 D．先减小，后增大 【答案】B 3. 如图所示为移动的振动片上金属丝周期性触动水面形成的水波图样，A、B为水面上的两点，此时金属丝恰好触动水面上的O点，。下列说法正确的是（　　） A．O点产生的水波先传到A点 B．A点水波的频率大于B点水波的频率 C．任意时刻A、B处质点的位移总相同 D．振动片在水平向右运动 【答案】B 课堂小结 回顾本节课的学习,总结多普勒效应的现象、产生原因及生活中的应用。 教师提问,倾听学生回答,适当提示,适时指正。 布置作业 完成课本课后习题和学案。 继续搜索多普勒效应在社会中的应用，将学习的内容与科技和社会联系起来，写出介绍的文章。 板书设计 第5节 多普勒效应 1. 多普勒效应含义 波源频率 接收频率 （不变） （变化） 2. 多普勒效应的规律： 波源和 相互接近 接收频率 增大 观察者 相互远离 接收频率 减小 3. 多普勒效应的产生原因： （1）波源不动，观察者运动： 波源相对观察者速度 发生变化 （2） 观察者不动，波源运动： 波长 发生变化 4. 多普勒效应的应用： （1）测量运动物体的速度 （2）多普勒激光雷达 （3）彩超 （4）红移现象 …… 教学反思 1.通过生活视频，认识了现象；通过实验，亲身感受了现象，认识一步步加深。 2.运用现代化手段中探究多普勒效应的规律，粗略了解了多普勒效应的成因。 3.了解了多普勒效应在生活中的应用，注意将多普勒效应和其他现象加以区分。 备课资源 多普勒效应 (Doppler effect) 是为纪念奥地利物理学家及数学家克里斯琴·约翰·多普勒（Christian Johann Doppler）而命名的，一天，他正路过铁路交叉处，恰逢一列火车从他身旁驰过，他发现火车从远而近时汽笛声变大，但波长变短，而火车从近而远时汽笛声变小，但波长变长。他对这个物理现象感到极大兴趣，并进行了研究。他于1842年首先提出了这一理论。主要内容为物体辐射的波长因为波源和观测者的相对运动而产生变化。在运动的波源前面，波被压缩，波长变得较短，频率变得较高（蓝移blue shift）；在运动的波源后面时，会产生相反的效应。波长变得较长，频率变得较低（红移red shift）；波源的速度越高，所产生的效应越大。根据波红（或蓝）移的程度，可以计算出波源循着观测方向运动的速度。 恒星光谱线的位移显示恒星循着观测方向运动的速度，除非波源的速度非常接近光速，否则多普勒位移的程度一般都很小。所有波动现象都存在多普勒效应。 多普勒效应指出，波在波源移向观察者时接收频率变高，而在波源远离观察者时接收频率变低。当观察者移动时也能得到同样的结论。但是由于缺少实验设备，多普勒当时没有用实验验证，几年后才用测量的数据去验证 一个常被使用的例子是光，当恒星接近观察者时，其发出的光的颜色会比平常更蓝。天文学家可以在恒星经过时看出光颜色的变化。 如果把光波视为有规律间隔发射的脉冲，可以想象若你每走一步，便发射了一个脉冲，那么在你之前的每一个脉冲都比你站立不动时更接近你自己。而在你后面的光源则比原来不动时远了一步。或者说，在你之前的脉冲频率比平常变高，而在你之后的脉冲频率比平常变低了。 产生原因：光源完成一次全振动，向外发出一个波长的波，频率表示单位时间内完成的全振动的次数，因此波源的频率等于单位时间内波源发出的完全波的个数，而观察者看到的光的颜色，是由观察者接收到的频率，即单位时间接收到的完全波的个数决定的。当波源和观察者有相对运动时，观察者接收到的频率会改变。在单位时间内，观察者接收到的完全波的个数增多，即接收到的频率增大。同样的道理，当观察者远离波源，观察者在单位时间内接收到的完全波的个数减少，即接收到的频率减小。 第 1 页 共 12 页 学科网（北京）股份有限公司 $