“多普勒效應(yīng)”探究性教學(xué)設(shè)計(jì)
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(dòng),另一學(xué)生乙隨著叫蟬一起運(yùn)動(dòng),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(chǎng)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(dòng),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(dòng)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(chǎng)。
為什么會(huì)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(duì)于均勻介質(zhì)不動(dòng),而波源相對(duì)于均勻介質(zhì)運(yùn)動(dòng)(就像我們站在鐵道旁聽駛來和駛?cè)サ幕疖嚨钠崖暎@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(dòng)時(shí),觀察者不動(dòng),波源由位置s1運(yùn)動(dòng)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(cè)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(cè)頻率減小,音調(diào)變低。
對(duì)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(cè)者站著不動(dòng)時(shí),叫蟬轉(zhuǎn)過去,屬于遠(yuǎn)離觀測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)者還在做靠近或遠(yuǎn)離波源運(yùn)動(dòng),觀測(cè)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(dòng)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(dòng),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(huì)發(fā)生多普勒效應(yīng)。雖然人與波源之間發(fā)生了相對(duì)運(yùn)動(dòng),但觀測(cè)頻率沒有變化,所以不會(huì)發(fā)生多普勒效應(yīng)。
三、探究性學(xué)習(xí)成果是對(duì)課本知識(shí)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(duì)運(yùn)動(dòng)中的相互靠近或遠(yuǎn)離會(huì)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(huì)有多普勒效應(yīng)發(fā)生,如第三、四種情況;即使沒有相對(duì)運(yùn)動(dòng),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(duì)多普勒效應(yīng)的認(rèn)識(shí)深度。