多普勒效應探究性教學設計

1、多普勒效應”探究性教學設計“多普勒效應”探究性 - 安徽省阜陽市第三中學 谷春 生新程標準指出，高中物理程應促進學生自主學習，讓學生 積極參與、樂于探究、勇于實驗、勤于思考。通過多樣化的 教學方式，幫助學生學習物理知識與技能，培養(yǎng)其科學探究 能力，使其逐步形成科學態(tài)度與科學精神。筆者在教學實踐 過程中不斷學習，努力拓寬自己的知識面，挖掘出教材中所 蘊含的探究性因素，精心設計相應的探究性題，把學生置于 開放、多元的學習環(huán)境中，確立學生在學習中的主體地位， 增強學生的獨立思考能力，啟迪學生的創(chuàng)新思維。下面筆者 以“多普勒效應”一節(jié)為例，談談自己在這方面的做法。一、探究性學習的前期準備 先簡單介紹多

2、普勒效應源于 1842 年奧地利物理學家多普勒 帶著女兒在鐵道旁散步時，聽到火車汽笛聲音調變化的偶然 發(fā)現(xiàn)，啟迪學生應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)學生探索的興趣。然后讓學生預習 并自學本節(jié)的知識，使學生對該節(jié)物理知識具有一定的認識， 同時介紹一外小制作，完成探究性活動的準備工作。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）、細線和甩棒構成（如圖 1 所示）。轉動甩棒，使細線帶動鳴蟬 做圓周運動，此時將會聽到音調起伏變化的鳴叫聲（類似蟬 鳴）。而且叫蟬分別沿順時針、逆時針或低速和高速旋轉時 均能發(fā)出不同的蟬鳴聲。 制作方法 ：取一小竹

3、筒，用燒紅的細鐵釘在竹筒的底部戳 穿一小孔，讓一細線穿孔系牢。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，細線的另一端套在凹槽 中可以自由轉動。用萬能膠粘一對透明薄絹作為翅膀，稍加 修飾，便制成一叫蟬。轉動筷子，使叫蟬繞筷子旋轉，此時 叫蟬就能發(fā)出音調起伏的鳴叫聲。 原因解釋 ：聲音是由于物體的振動產生的。叫蟬是由蟬體 （空腔）、空腔底膜和細線組成。 甩棒使叫蟬做圓周運動時， 細線被拉緊，細線的一端在棒上的凹槽中轉動，由于有松香 細末的參與，加大了細線與棒的摩擦，從而通過細線使得竹 筒底膜發(fā)生振動，膜的振動又推動竹制空腔的空氣產生共鳴， 便聽到了聲音。布置學生外自己制作“叫蟬”

4、，啟迪學生能不能通過設計方 案來探究多普勒效應呢？二、探究性學習實施過程 學生制作完成后，教師帶著學生列隊到學校操場完成探究性 學習。讓學生先旋轉自己制作的叫蟬， 使其發(fā)出“知知 , ” 的聲音。對于不發(fā)聲的叫蟬，教師指導學生改進，并讓學生 匯報自己的探索設計方案。然后，確定探究方案（學生興奮 不已）。將學生分成 10 組，選出叫聲較響的 10 個叫蟬做實驗。指導 學生完成以下問題探究，研究在哪些條下會發(fā)生多普勒效應？ （或者讓學生做實驗并設計方案自主探索研究。 ） 第一種情況：一人在水平面內勻速率快速旋轉細線（如圖 1 所示），使叫蟬發(fā)聲，該組的其他同學站在原地仔細聽，判 斷音調是否變化，是

5、否有多普勒效應發(fā)生？探究后，學生回 答：有。第二種情況：一人在水平面內勻速快速旋轉細線（如圖 1 所 示），使叫蟬發(fā)聲，該組的其他同學靠近或遠離叫蟬，判斷 音調是否變化， 是否有多普勒效應發(fā)生？探究后， 學生回答： 有。效果比第一種情況更明顯。第三種情況：一人在水平面內旋轉細線，使聲源（叫蟬）繞 著人做勻速圓周運動，此人在轉動軸心處傾聽，判斷音調是 否變化，是否有多普勒效應發(fā)生？探究后，學生回答：有。第四種情況：學生甲在水平面內旋轉較長的細線，使叫蟬做 勻速率圓周運動，另一學生乙隨著叫蟬一起運動，學生乙、 叫蟬和圓心始終三點共線（如圖 2 所示），判斷音調是否變 化，是否有多普勒效應發(fā)生？探究

6、后，學生回答：有。第五種情況：讓每組學生拿出事先帶來的小錄音機，并用粉 筆在操場上畫出標準圓圈，錄音機的喇叭口放在圓心處，使 其口朝上放出某一音調的音，每個學生沿著圓圈做圓周運動， 判斷音調是否變化，是否有多普勒效應發(fā)生？探究后，學生 回答：無。每組學生都積極主動地進行實驗，仔細感知、分析，沉浸在 探究的愉悅之中，在身心愉快中進行學習。等幾組實驗都完 成后，分別讓他們匯報探究結果，從而可以培養(yǎng)學生的信息 收集處理能力、語言交流表達能力、團隊協(xié)調合作能力，等 等。最后，下鈴響以后，學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？讓我們一起來仔細探討其中的 原因：設觀察者相對于均勻介質不動，

7、而波源相對于均勻介質運動 （就像我們站在鐵道旁聽駛來和駛去的火車的汽笛聲） ，這 時波源發(fā)出的波的波面如圖 3 所示。當波源向右運動時，觀 察者不動，波源由位置 S1運動到位置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 波在介質中的傳播速度并沒有改變。觀察者在波源右側時， 在單位時間內接收到的完全波的個數(shù)增多，觀測頻率增大， 音調變高；同理，觀察者在波源左側時，其觀測頻率減小， 音調變低。對于上述學生分組實驗的幾種情況，我們也可以形象地畫出其波面來進行分析： 第一種情況：當觀測者站著不動時，叫蟬轉過去，屬于遠離 觀測者，形成的波面如圖 4所示的波面A,觀察者單位

8、時間 內接收到的完全波的個數(shù)減少，觀測頻率小于波源頻率，故 音調變低；叫蟬轉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， 故音調變高。第二種情況也是如此，只不過觀測者還在做靠近或遠離波源 運動，觀測者單位時間內接收到的完全波的個數(shù)更多或更少， 效果更為明顯。第三種情況：當波源（叫蟬）繞著圓心（或人）做勻速率圓 周運動時，沿圓周的法向波面發(fā)生了變化（如圖所示） ，使 人耳單位時間內接收到的完全波的個數(shù)發(fā)生了變化，故音調 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、 也沒有遠離，卻發(fā)生了多普勒效應。第四種情況：人隨著叫蟬沿圓周的切向一起前

9、進，勻速率旋 轉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共線） ， 沿圓的法線方向波面發(fā)生了變化，故人單位時間內接收到的 完全波的個數(shù)發(fā)生了變化，即發(fā)生了多普勒效應。這又是一 種人與波源既沒有靠近，也沒有遠離，但能發(fā)生多普勒效應 的實例。第五種情況：如圖 7 所示，以波源為圓心，波在均勻介質中 向四面八方均勻傳播，人在其中的一個波面上繞著波源做圓 周運動，人耳單位時間內接收到的完全波的個數(shù)并沒有改變， 故不會發(fā)生多普勒效應。雖然人與波源之間發(fā)生了相對運動， 但觀測頻率沒有變化，所以不會發(fā)生多普勒效應。三、探究性學習成果是對本知識的

10、創(chuàng)新 拓展該探究性實驗拓寬了學生的思路，啟迪了學生的創(chuàng)新思 維。教材中只描述波源與觀察者相對運動中的相互靠近或遠 離會產生多普勒效應。通過探究性學習，同學們提出了一些 新的觀點：波源和觀察者即使有靠近或遠離，也會有多普勒 效應發(fā)生，如第三、四種情況；即使沒有相對運動，也不一 定有多普勒效應發(fā)生，如第五種情況。所以教科書最好略作 修改，適當?shù)卦黾右恍┒ㄐ蕴接懙钠渌麑嵗载S富學生對 多普勒效應的認識深度。四、探究性學習能激發(fā)學生強烈的好奇心和求知欲，使他們 提出一些新的問題 學生通過實驗探究，興趣大增，思維的閘門打開，提出一系 列新的問題：例 1 小時候捕捉到的真蟬，握在手中，旋轉手臂，聽到音

11、調發(fā)生變化的蟬鳴，是否屬于多普勒效應？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。當用手在水平面內搖動它時，觀測頻率發(fā) 生了變化，屬于多普勒效應。例 2 人耳聽到警車發(fā)出的警笛聲是否屬于多普勒效應？分 析 老式警車的報警系統(tǒng)是一個可以繞軸旋轉的喇叭，置于 汽車頂蓋上，喇叭口朝前。當報警時，該喇叭口沿水平面繞 自身的軸旋轉（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， 音調發(fā)生變化， 故屬于多普勒效應。 新式警車是什么樣的呢？讓學生開展社會實踐活動，走訪公 安部門，寫一篇探究性社會實踐報告。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。如果學