题目
汽车驶过车站时,车站上的观测者测得声音的频率由1200Hz变为1000Hz。已知空气中的声速为330m.s-1,则汽车行驶的速度为________。
汽车驶过车站时,车站上的观测者测得声音的频率由1200Hz变为1000Hz。已知空气中的声速为330m.s-1,则汽车行驶的速度为________。
题目解答
答案
30 m.s-1;
30m.s-1;
30m.s-1;
解析
步骤 1:理解多普勒效应
当声源和观察者之间有相对运动时,观察者接收到的声波频率会发生变化,这种现象称为多普勒效应。当声源向观察者靠近时,观察者接收到的频率会增加;当声源远离观察者时,观察者接收到的频率会减少。
步骤 2:应用多普勒效应公式
多普勒效应的公式为:\[f' = f \left( \frac{v \pm v_o}{v \mp v_s} \right)\],其中 \(f'\) 是观察者接收到的频率,\(f\) 是声源发出的频率,\(v\) 是声速,\(v_o\) 是观察者的速度(向声源靠近为正,远离为负),\(v_s\) 是声源的速度(向观察者靠近为正,远离为负)。
步骤 3:计算汽车的速度
根据题目,当汽车靠近车站时,观察者测得的频率为1200Hz,当汽车远离车站时,观察者测得的频率为1000Hz。由于观察者是静止的,所以 \(v_o = 0\)。设汽车的速度为 \(v_s\),声速 \(v = 330m.s^{-1}\),声源发出的频率 \(f\) 保持不变。根据多普勒效应公式,可以列出两个方程:
\[1200 = f \left( \frac{330}{330 - v_s} \right)\]
\[1000 = f \left( \frac{330}{330 + v_s} \right)\]
通过解这两个方程,可以求出 \(v_s\)。
步骤 4:求解方程
将两个方程相除,消去 \(f\),得到:
\[\frac{1200}{1000} = \frac{330 + v_s}{330 - v_s}\]
化简得:
\[1.2 = \frac{330 + v_s}{330 - v_s}\]
解得:
\[v_s = 30m.s^{-1}\]
当声源和观察者之间有相对运动时,观察者接收到的声波频率会发生变化,这种现象称为多普勒效应。当声源向观察者靠近时,观察者接收到的频率会增加;当声源远离观察者时,观察者接收到的频率会减少。
步骤 2:应用多普勒效应公式
多普勒效应的公式为:\[f' = f \left( \frac{v \pm v_o}{v \mp v_s} \right)\],其中 \(f'\) 是观察者接收到的频率,\(f\) 是声源发出的频率,\(v\) 是声速,\(v_o\) 是观察者的速度(向声源靠近为正,远离为负),\(v_s\) 是声源的速度(向观察者靠近为正,远离为负)。
步骤 3:计算汽车的速度
根据题目,当汽车靠近车站时,观察者测得的频率为1200Hz,当汽车远离车站时,观察者测得的频率为1000Hz。由于观察者是静止的,所以 \(v_o = 0\)。设汽车的速度为 \(v_s\),声速 \(v = 330m.s^{-1}\),声源发出的频率 \(f\) 保持不变。根据多普勒效应公式,可以列出两个方程:
\[1200 = f \left( \frac{330}{330 - v_s} \right)\]
\[1000 = f \left( \frac{330}{330 + v_s} \right)\]
通过解这两个方程,可以求出 \(v_s\)。
步骤 4:求解方程
将两个方程相除,消去 \(f\),得到:
\[\frac{1200}{1000} = \frac{330 + v_s}{330 - v_s}\]
化简得:
\[1.2 = \frac{330 + v_s}{330 - v_s}\]
解得:
\[v_s = 30m.s^{-1}\]