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第十九节 多普勒效应
作者:陈少毅 来源:本站原创 点击:164次 评论:0

作者简介:陈少毅,汉族。1962年5月4日出生,大学本科学历,中教高级职称,高级中学教师,现已退休。

第十九节 多普勒效应

一、多普勒效应介绍

多普勒效应Doppler effect是为纪念奥地利物理学家及数学家克里斯琴·约翰·多普勒(Christian Johann Doppler)而命名的,他于1842年首先提出了这一理论。主要内容为物体辐射的波长因为波源和观测者的相对运动而产生变化。在运动的波源前面,波被压缩,波长变得较短,频率变得较高(蓝移blue shift);在运动的波源后面时,会产生相反的效应。波长变得较长,频率变得较低(红移red shift);波源的速度越高,所产生的效应越大。根据波红(蓝)移的程度,可以计算出波源循着观测方向运动的速度。

多普勒效应指出,波在波源移向观察者接近时接收频率变高,而在波源远离观察者时接收频率变低。当观察者移动时也能得到同样的结论。但是由于缺少实验设备,多普勒当时没有用实验验证,几年后有人请一队小号手在平板车上演奏,再请训练有素的音乐家用耳朵来辨别音调的变化,以验证该效应。假设原有波源的波长为λ,波速为c,观察者移动速度为v:

当观察者走近波源时观察到的波源频率为(c+v)/λ,反之则观察到的波源频率为(c-v)/λ。

一个常被使用的例子是火车的汽笛声,当火车接近观察者时,如果观察者远离波源,其汽鸣声会比平常更刺耳。你可以在火车经过时听出刺耳声的变化。同样的情况还有:警车的警报声和赛车的发动机声

声波的多普勒效应

在日常生活中,我们都会有这种经验:当一列鸣着汽笛的火车经过某观察者时,他会发现火车汽笛的声调由高变低. 为什么会发生这种现象呢?这是因为声调的高低是由声波振动频率的不同决定的,如果频率高,声调听起来就高;反之声调听起来就低.这种现象称为多普勒效应,它是用发现者克里斯蒂安·多普勒的名字命名的,多普勒是奥地利物理学家和数学家.他于1842年首先发现了这种效应。为了理解这一现象,就需要考察火车以恒定速度驶近时,汽笛发出的声波在传播时的规律.其结果是声波的波长缩短,好像波被压缩了.因此,在一定时间间隔内传播的波数就增加了,这就是观察者为什么会感受到声调变高的原因;相反,当火车驶向远方时,声波的波长变大,好像波被拉伸了。因此,声音听起来就显得低沉.定量分析得到f1=(u+v0)f /(u-vs),其中vs为波源相对于介质的速度,v0为观察者相对于介质的速度,f表示波源的固有频率,u表示波在静止介质中的传播速度。当观察者朝波源运动时,v0取正号;当观察者背离波源(即顺着波源)运动时,v0取负号。当波源朝观察者运动时vs前面取正号;前波源背离观察者运动时vs取负号. 从上式可以很容易得知,当观察者与声源相互靠近时,f1>f;当观察者与声源相互远离时f1<f。

光波的多普勒效应

具有波动性的光也会出现这种效应,它又被称为多普勒-斐索效应.因为法国物理学家斐索(1819~1896年)于1848年独立地对来自恒星的波长偏移做了解释,指出了利用这种效应测量恒星相对速度的办法.光波与声波的不同之处在于,光波频率的变化使人感觉到是颜色的变化. 如果恒星远离我们而去,则光的谱线就向红光方向移动,称为红移;如果恒星朝向我们运动,光的谱线就向紫光方向移动,称为蓝移。

二、疑点:

波源频率f为(c+v)/λ,光在传播中光波的变化怎么会跟观察者有关呢?难道不观察就不红移了?

这很好证明,用十台录音机从声源开始每间隔两米放一台,把固定频率和波长的声源打开,然后分析十台录音机的录音。可以得到频率和波长与距离的关系。波长与距离成正比,即λ=NS(N是常数与传播介质有关)。频率与距离成反比,即f=N/S。光波也应该遵循这个原则,就是常数N不同。通过大量的实验可以测得N值。哈勃已经为我们提供了证据(哈勃惊讶地发现,样本中距离地球越远的星系,其谱线红移越大,来自遥远星系光线的红移与他们的距离成正比)。

我给大家举一个我们生活当中经常用的事,我们每个人都会用,如果有个人离你很远,为了让对方听到,你就会大声并且拉长声音,说明波长长的波传的远。这一点连狼都会用,大家想想狼嚎是怎样的?


更新:2020/10/13 6:11:49 编辑:fengyefy
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