“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。