多普勒效應(yīng)探究物理教案

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新課程標(biāo)準(zhǔn)指出，高中物理課程應(yīng)促進(jìn)學(xué)生自主學(xué)習(xí)，讓學(xué)生積極參與、樂于探究、勇于實(shí)驗(yàn)、勤于思考。通過多樣化的教學(xué)方式，幫助學(xué)生學(xué)習(xí)物理知識與技能，培養(yǎng)其科學(xué)探究能力，使其逐步形成科學(xué)態(tài)度與科學(xué)精神。筆者在教學(xué)實(shí)踐過程中不斷學(xué)習(xí)，努力拓寬自己的知識面，挖掘出教材中所蘊(yùn)含的探究性因素，精心設(shè)計(jì)相應(yīng)的探究性課題，把學(xué)生置于開放、多元的學(xué)習(xí)環(huán)境中，確立學(xué)生在學(xué)習(xí)中的主體地位，增強(qiáng)學(xué)生的獨(dú)立思考能力，啟迪學(xué)生的創(chuàng)新思維。下面筆者以“多普勒效應(yīng)”一節(jié)為例，談?wù)勛约涸谶@方面的做法。

一、探究性學(xué)習(xí)的前期準(zhǔn)備

先簡單介紹多普勒效應(yīng)源于1842年奧地利物理學(xué)家多普勒帶著女兒在鐵道旁散步時(shí)，聽到火車汽笛聲音調(diào)變化的偶然發(fā)現(xiàn)，啟迪學(xué)生應(yīng)留意生活中的物理知識，或許偉大的發(fā)現(xiàn)就在自己身邊，從而激發(fā)學(xué)生探索的興趣。然后讓學(xué)生預(yù)習(xí)并自學(xué)本節(jié)的知識，使學(xué)生對該節(jié)物理知識具有一定的認(rèn)識，同時(shí)介紹一課外小制作，完成探究性活動的準(zhǔn)備工作。

[小制作]：叫蟬──民間玩具。

叫蟬是一種用竹木制作的民間玩具，由鳴蟬(發(fā)音體)、細(xì)線和甩棒構(gòu)成(如圖1所示)。轉(zhuǎn)動甩棒，使細(xì)線帶動鳴蟬做圓周運(yùn)動，此時(shí)將會聽到音調(diào)起伏變化的鳴叫聲(類似蟬鳴)。而且叫蟬分別沿順時(shí)針、逆時(shí)針或低速和高速旋轉(zhuǎn)時(shí)均能發(fā)出不同的蟬鳴聲。

[制作方法]：取一小竹筒，用燒紅的細(xì)鐵釘在竹筒的底部戳穿一小孔，讓一細(xì)線穿孔系牢。再取一根筷子，在其粗端用刀刻一凹槽，在槽中熔入少許松香，細(xì)線的另一端套在凹槽中可以自由轉(zhuǎn)動。用萬能膠粘一對透明薄絹?zhàn)鳛槌岚颍约有揎棧阒瞥梢唤邢s。轉(zhuǎn)動筷子，使叫蟬繞筷子旋轉(zhuǎn)，此時(shí)叫蟬就能發(fā)出音調(diào)起伏的鳴叫聲。

[原因解釋]：聲音是由于物體的振動產(chǎn)生的。叫蟬是由蟬體(空腔)、空腔底膜和細(xì)線組成。甩棒使叫蟬做圓周運(yùn)動時(shí)，細(xì)線被拉緊，細(xì)線的一端在棒上的凹槽中轉(zhuǎn)動，由于有松香細(xì)末的參與，加大了細(xì)線與棒的摩擦，從而通過細(xì)線使得竹筒底膜發(fā)生振動，膜的振動又推動竹制空腔的空氣產(chǎn)生共鳴，便聽到了聲音。

布置學(xué)生課外自己制作“叫蟬”，啟迪學(xué)生能不能通過設(shè)計(jì)方案來探究多普勒效應(yīng)呢?

二、探究性學(xué)習(xí)實(shí)施過程

學(xué)生制作完成后，教師帶著學(xué)生列隊(duì)到學(xué)校操場完成探究性學(xué)習(xí)。讓學(xué)生先旋轉(zhuǎn)自己制作的叫蟬，使其發(fā)出“知知……”的聲音。對于不發(fā)聲的叫蟬，教師指導(dǎo)學(xué)生改進(jìn)，并讓學(xué)生匯報(bào)自己的探索設(shè)計(jì)方案。然后，確定探究方案(學(xué)生興奮不已)。

將學(xué)生分成10組，選出叫聲較響的10個(gè)叫蟬做實(shí)驗(yàn)。指導(dǎo)學(xué)生完成以下問題探究，研究在哪些條件下會發(fā)生多普勒效應(yīng)?(或者讓學(xué)生做實(shí)驗(yàn)并設(shè)計(jì)方案自主探索研究。)

第一種情況：一人在水平面內(nèi)勻速率快速旋轉(zhuǎn)細(xì)線(如圖1所示)，使叫蟬發(fā)聲，該組的其他同學(xué)站在原地仔細(xì)聽，判斷音調(diào)是否變化，是否有多普勒效應(yīng)發(fā)生?探究后，學(xué)生回答：有。

第二種情況：一人在水平面內(nèi)勻速快速旋轉(zhuǎn)細(xì)線(如圖1所示)，使叫蟬發(fā)聲，該組的其他同學(xué)靠近或遠(yuǎn)離叫蟬，判斷音調(diào)是否變化，是否有多普勒效應(yīng)發(fā)生?探究后，學(xué)生回答：有。效果比第一種情況更明顯。

第三種情況：一人在水平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)細(xì)線，使聲源(叫蟬)繞著人做勻速圓周運(yùn)動，此人在轉(zhuǎn)動軸心處傾聽，判斷音調(diào)是否變化，是否有多普勒效應(yīng)發(fā)生?探究后，學(xué)生回答：有。

第四種情況：學(xué)生甲在水平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)較長的細(xì)線，使叫蟬做勻速率圓周運(yùn)動，另一學(xué)生乙隨著叫蟬一起運(yùn)動，學(xué)生乙、叫蟬和圓心始終三點(diǎn)共線(如圖2所示)，判斷音調(diào)是否變化，是否有多普勒效應(yīng)發(fā)生?探究后，學(xué)生回答：有。

第五種情況：讓每組學(xué)生拿出事先帶來的小錄音機(jī)，并用粉筆在操場上畫出標(biāo)準(zhǔn)圓圈，錄音機(jī)的喇叭口放在圓心處，使其口朝上放出某一音調(diào)的音，每個(gè)學(xué)生沿著圓圈做圓周運(yùn)動，判斷音調(diào)是否變化，是否有多普勒效應(yīng)發(fā)生?探究后，學(xué)生回答：無。

每組學(xué)生都積極主動地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，仔細(xì)感知、分析，沉浸在探究的愉悅之中，在身心愉快中進(jìn)行學(xué)習(xí)。等幾組實(shí)驗(yàn)都完成后，分別讓他們匯報(bào)探究結(jié)果，從而可以培養(yǎng)學(xué)生的信息收集處理能力、語言交流表達(dá)能力、團(tuán)隊(duì)協(xié)調(diào)合作能力，等等。最后，下課鈴響以后，學(xué)生們依依不舍地離開了操場。

為什么會發(fā)生這種現(xiàn)象呢?讓我們一起來仔細(xì)探討其中的原因：

設(shè)觀察者相對于均勻介質(zhì)不動，而波源相對于均勻介質(zhì)運(yùn)動(就像我們站在鐵道旁聽駛來和駛?cè)サ幕疖嚨钠崖?，這時(shí)波源發(fā)出的波的波面如圖3所示。當(dāng)波源向右運(yùn)動時(shí)，觀察者不動，波源由位置S1運(yùn)動到位置S2，波源右方的波面變得密集，波長變短，左方的波面變得稀疏，波長變長，但波在介質(zhì)中的傳播速度并沒有改變。觀察者在波源右側(cè)時(shí)，在單位時(shí)間內(nèi)接收到的完全波的個(gè)數(shù)增多，觀測頻率增大，音調(diào)變高;同理，觀察者在波源左側(cè)時(shí)，其觀測頻率減小，音調(diào)變低。

對于上述學(xué)生分組實(shí)驗(yàn)的幾種情況，我們也可以形象地畫出其波面來進(jìn)行分析：

第一種情況：當(dāng)觀測者站著不動時(shí)，叫蟬轉(zhuǎn)過去，屬于遠(yuǎn)離觀測者，形成的波面如圖4所示的波面A，觀察者單位時(shí)間內(nèi)接收到的完全波的個(gè)數(shù)減少，觀測頻率小于波源頻率，故音調(diào)變低;叫蟬轉(zhuǎn)過來屬于靠近觀測者，所形成的波面如圖4所示的波面B，觀察者所感知的觀測頻率大于波源頻率，故音調(diào)變高。

第二種情況也是如此，只不過觀測者還在做靠近或遠(yuǎn)離波源運(yùn)動，觀測者單位時(shí)間內(nèi)接收到的完全波的個(gè)數(shù)更多或更少，效果更為明顯。

第三種情況：當(dāng)波源(叫蟬)繞著圓心O(或人)做勻速率圓周運(yùn)動時(shí)，沿圓周的法向波面發(fā)生了變化(如圖5所示)，使人耳單位時(shí)間內(nèi)接收到的完全波的個(gè)數(shù)發(fā)生了變化，故音調(diào)發(fā)生了變化。在這種情況下，波源與觀察者之間既沒有靠近、也沒有遠(yuǎn)離，卻發(fā)生了多普勒效應(yīng)。第四種情況：人隨著叫蟬沿圓周的切向一起前進(jìn)，勻速率旋轉(zhuǎn)的叫蟬所形成的波面如圖6所示。在圓的法線方向，人始終與波源S的間距不變(人、叫蟬和圓心始終三點(diǎn)共線)，沿圓的法線方向波面發(fā)生了變化，故人單位時(shí)間內(nèi)接收到的完全波的個(gè)數(shù)發(fā)生了變化，即發(fā)生了多普勒效應(yīng)。這又是一種人與波源既沒有靠近，也沒有遠(yuǎn)離，但能發(fā)生多普勒效應(yīng)的實(shí)例。

第五種情況：如圖7所示，以波源為圓心，波在均勻介質(zhì)中向四面八方均勻傳播，人在其中的一個(gè)波面上繞著波源做圓周運(yùn)動，人耳單位時(shí)間內(nèi)接收到的完全波的個(gè)數(shù)并沒有改變，故不會發(fā)生多普勒效應(yīng)。雖然人與波源之間發(fā)生了相對運(yùn)動，但觀測頻率沒有變化，所以不會發(fā)生多普勒效應(yīng)。

三、探究性學(xué)習(xí)成果是對課本知識的創(chuàng)新

拓展該探究性實(shí)驗(yàn)拓寬了學(xué)生的思路，啟迪了學(xué)生的創(chuàng)新思維。教材中只描述波源與觀察者相對運(yùn)動中的相互靠近或遠(yuǎn)離會產(chǎn)生多普勒效應(yīng)。通過探究性學(xué)習(xí)，同學(xué)們提出了一些新的觀點(diǎn)：波源和觀察者即使有靠近或遠(yuǎn)離，也會有多普勒效應(yīng)發(fā)生，如第三、四種情況;即使沒有相對運(yùn)動，也不一定有多普勒效應(yīng)發(fā)生，如第五種情況。所以教科書最好略作修改，適當(dāng)?shù)卦黾右恍┒ㄐ蕴接懙钠渌麑?shí)例，以豐富學(xué)生對多普勒效應(yīng)的認(rèn)識深度。

四、探究性學(xué)習(xí)能激發(fā)學(xué)生強(qiáng)烈的好奇心和求知欲，使他們提出一些新的問題

學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)探究，興趣大增，思維的閘門打開，提出一系列新的問題：

例1小時(shí)候捕捉到的真蟬，握在手中，旋轉(zhuǎn)手臂，聽到音調(diào)發(fā)生變化的蟬鳴，是否屬于多普勒效應(yīng)?

分析蟬靠腹部的振動片振動發(fā)聲，一般振動頻率是一定的，即叫聲頻率不變。當(dāng)用手在水平面內(nèi)搖動它時(shí)，觀測頻率發(fā)生了變化，屬于多普勒效應(yīng)。

例2人耳聽到警車發(fā)出的警笛聲是否屬于多普勒效應(yīng)?分析老式警車的報(bào)警系統(tǒng)是一個(gè)可以繞軸旋轉(zhuǎn)的喇叭，置于汽車頂蓋上，喇叭口朝前。當(dāng)報(bào)警時(shí)，該喇叭口沿水平面繞自身的軸旋轉(zhuǎn)(如圖8所示)。隨著警車的開動，使人們感知的觀測頻率發(fā)生改變，音調(diào)發(fā)生變化，故屬于多普勒效應(yīng)。

新式警車是什么樣的呢?讓學(xué)生開展社會實(shí)踐活動，走訪公安部門，寫一篇探究性社會實(shí)踐報(bào)告。如果是，分析原因;如果不是，也要分析原因。

沒有探究就沒有科學(xué)。如果學(xué)生初次接觸探究性課題，探究性學(xué)習(xí)可以在教師指導(dǎo)下進(jìn)行;如果學(xué)生多次開展過探究性活動，探究性學(xué)習(xí)可由學(xué)生自己設(shè)計(jì)完成，以便更好地激發(fā)學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力，啟迪學(xué)生的創(chuàng)新思維。總之，教師在教學(xué)過程中要盡最大可能給學(xué)生提供必要的科學(xué)探究機(jī)會，讓學(xué)生通過社會調(diào)查、查閱文獻(xiàn)進(jìn)行自主思維、動手實(shí)驗(yàn)等，體驗(yàn)探究過程的曲折和樂趣，發(fā)展自身的科學(xué)探究的能力。