多普勒效應(yīng)探究性教學(xué)設(shè)計(jì)

1、多普勒效應(yīng)”探究性教學(xué)設(shè)計(jì)“多普勒效應(yīng)”探究性 - 安徽省阜陽(yáng)市第三中學(xué) 谷春 生新程標(biāo)準(zhǔn)指出，高中物理程應(yīng)促進(jìn)學(xué)生自主學(xué)習(xí)，讓學(xué)生 積極參與、樂(lè)于探究、勇于實(shí)驗(yàn)、勤于思考。通過(guò)多樣化的 教學(xué)方式，幫助學(xué)生學(xué)習(xí)物理知識(shí)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(guò)程中不斷學(xué)習(xí)，努力拓寬自己的知識(shí)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)的探究性題，把學(xué)生置于 開(kāi)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(jiǎn)單介紹多

2、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(tīng)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(shí)，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(shí)，使學(xué)生對(duì)該節(jié)物理知識(shí)具有一定的認(rèn)識(shí)， 同時(shí)介紹一外小制作，完成探究性活動(dòng)的準(zhǔn)備工作。小制作:叫蟬一一民間玩具。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(dòng)甩棒，使細(xì)線帶動(dòng)鳴蟬 做圓周運(yùn)動(dòng)，此時(shí)將會(huì)聽(tīng)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

3、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(dòng)。用萬(wàn)能膠粘一對(duì)透明薄絹?zhàn)鳛槌岚?，稍?修飾，便制成一叫蟬。轉(zhuǎn)動(dòng)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(dòng)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(dòng)時(shí)， 細(xì)線被拉緊，細(xì)線的一端在棒上的凹槽中轉(zhuǎn)動(dòng)，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(guò)細(xì)線使得竹 筒底膜發(fā)生振動(dòng)，膜的振動(dòng)又推動(dòng)竹制空腔的空氣產(chǎn)生共鳴， 便聽(tīng)到了聲音。布置學(xué)生外自己制作“叫蟬”

4、，啟迪學(xué)生能不能通過(guò)設(shè)計(jì)方 案來(lái)探究多普勒效應(yīng)呢？二、探究性學(xué)習(xí)實(shí)施過(guò)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(chǎng)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(duì)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(wèn)題探究，研究在哪些條下會(huì)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(tīng)，判 斷音調(diào)是否變化，是

5、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(dòng)，此人在轉(zhuǎn)動(dòng)軸心處傾聽(tīng)，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(zhǎng)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

6、后，學(xué)生回答：有。第五種情況：讓每組學(xué)生拿出事先帶來(lái)的小錄音機(jī)，并用粉 筆在操場(chǎng)上畫(huà)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(wú)。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(yǔ)言交流表達(dá)能力、團(tuán)隊(duì)協(xié)調(diào)合作能力，等 等。最后，下鈴響以后，學(xué)生們依依不舍地離開(kāi)了操場(chǎng)。 為什么會(huì)發(fā)生這種現(xiàn)象呢？讓我們一起來(lái)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)，

7、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(tīng)駛來(lái)和駛?cè)サ幕疖嚨钠崖暎?，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(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(zhǎng)變短，左方的波面變得稀疏，波長(zhǎng)變長(zhǎng)，但 波在介質(zhì)中的傳播速度并沒(méi)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(huà)出其波面來(lái)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(guò)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

8、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(guò)來(lái)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(guò)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（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(méi)有靠近、 也沒(méi)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

9、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(méi)有靠近，也沒(méi)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(méi)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(méi)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)本知識(shí)的

10、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(guò)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(méi)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(shū)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。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(wèn)題 學(xué)生通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究，興趣大增，思維的閘門打開(kāi)，提出一系 列新的問(wèn)題：例 1 小時(shí)候捕捉到的真蟬，握在手中，旋轉(zhuǎn)手臂，聽(tīng)到音

11、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(dòng)片振動(dòng)發(fā)聲，一般振動(dòng)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(dòng)它時(shí)，觀測(cè)頻率發(fā) 生了變化，屬于多普勒效應(yīng)。例 2 人耳聽(tīng)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(kāi)動(dòng)，使人們感 知的觀測(cè)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(kāi)展社會(huì)實(shí)踐活動(dòng)，走訪公 安部門，寫(xiě)一篇探究性社會(huì)實(shí)踐報(bào)告。如果是，分析原因； 如果不是，也要分析原因。沒(méi)有探究就沒(méi)有科學(xué)。如果學(xué)