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初中物理教师的博客

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多普勒效应  

来自惊鸿岂止一现   2013-02-19 08:25:11|  分类: 物理与教学 |举报 |字号 订阅

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多普勒效应



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多普勒效应



多普勒效应

多普勒效应
    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。多普勒认为,物体辐射的波长因为光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,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。根据光波红/蓝移的程度,可以计算出波源循着观测方向运动的速度。恒星光谱线的位移显示恒星循着观测方向运动的速度。除非波源的速度非常接近光速,否则多普勒位移的程度一般都很小。所有波动现象 (包括光波) 都存在多普勒效应。

多普勒效应的发现
    1842年德国一位名叫多普勒的数学家。一天,他正路过铁路交叉处,恰逢一列火车从他身旁驰过,他发现火车从远而近时汽笛声变响,音调变尖,而火车从近而远时汽笛声变弱,音调变低。他对这个物理现象感到极大兴趣,并进行了研究。发现这是由于振源与观察者之间存在着相对运动,使观察者听到的声音频率不同于振源频率的现象。这就是频移现象。因为是多普勒首先提出来的,所以称为多普勒效应。

多普勒效应
    多普勒效应指出,波在波源移向观察者时接收频率变高,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(v+c)/λ,如果观察者远离波源,则观察到的波源频率为(v-c)/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,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。

    如果把声波视为有规律间隔发射的脉冲,可以想象若你每走一步,便发射了一个脉冲,那么在你之前的每一个脉冲都比你站立不动时更接近你自己。而在你后面的声源则比原来不动时远了一步。或者说,在你之前的脉冲频率比平常变高,而在你之后的脉冲频率比平常变低了。

    多普勒效应不仅仅适用于声波,它也适用于所有类型的波,包括电磁波。科学家爱德文·哈勃(Edwin Hubble)使用多普勒效应得出宇宙正在膨胀的结论。他发现远离银河系的天体发射的光线频率变低,即移向光谱的红端,称为红移,天体离开银河系的速度越快红移越大,这说明这些天体在远离银河系。反之,如果天体正移向银河系,则光线会发生蓝移。

    在移动通信中,当移动台移向基站时,频率变高,远离基站时,频率变低,所以我们在移动通信中要充分考虑多普勒效应。当然,由于日常生活中,我们移动速度的局限,不可能会带来十分大的频率偏移,但是这不可否认地会给移动通信带来影响,为了避免这种影响造成我们通信中的问题,我们不得不在技术上加以各种考虑。也加大了移动通信的复杂性。

    在单色的情况下,我们的眼睛感知的颜色可以解释为光波振动的频率,或者解释为,在1秒钟内电磁场所交替为变化的次数。在可见区域,这种效率越低,就越趋向于红色,频率越高的,就趋向于蓝色——紫色。比如,由氦——氖激光所产生的鲜红色对应的频率为4.74×1014赫兹,而汞灯的紫色对应的频率则在7×1014赫兹以上。这个原则同样适用于声波:声音的高低的感觉对应于声音对耳朵的鼓膜施加压力的振动频率(高频声音尖厉,低频声音低沉)。

    如果波源是固定不动的,不动的接收者所接收的波的振动与波源发射的波的节奏相同:发射频率等于接收频率。如果波源相对于接收者来说是移动的,比如相互远离,那么情况就不一样了。相对于接收者来说,波源产生的两个波峰之间的距离拉长了,因此两上波峰到达接收者所用的时间也变长了。那么到达接收者时频率降低,所感知的颜色向红色移动(如果波源向接收者靠近,情况则相反)。为了让读者对这个效应的影响大小有个概念,在显示了多普勒频移,近似给出了一个正在远离的光源在相对速度变化时所接收到的频率。例如,在上面提到的氦——氖激光的红色谱线,当波源的速度相当于光速的一半时,接收到的频率由4.74×1014赫兹下降到4.74×1014赫兹,这个数值大幅度地降移到红外线的频段。

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)/(u-vs)f ,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前面取负号;前波源背离观察者运动时vs取正号. 从上式易知,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 。设声源S,观察者L分别以速度vs,vl在静止的介质中沿同一直线同向运动,声源发出声波在介质中的传播速度为V,且vs小于v,vl小于v。当声源不动时,声源发现频率为f,波长为X的声波,观察者接受到的声波的频率为:
f'=(v-vl)v/[(v-vs)X]=(v-vl)f/(v-vs)
   所以得 (1)当观察者和波源都不动时,vs=0,vl=0,由上式得f'=f
(2)当观察者不动,声源接近观察者时,观察者接受到的频率为
F=Vf/(V-vs) 显然此时频率大于原来的频率
由上面的式子可以得到多普勒效应的所有表现。

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。

声波的多普勒效应的应用
    声波的多普勒效应也可以用于医学的诊断,也就是我们平常说的彩超。彩超简单的说就是高清晰度的黑白B超再加上彩色多普勒,首先说说超声频移诊断法,即D超,此法应用多普勒效应原理,当声源与接收体(即探头和反射体)之间有相对运动时,回声的频率有所改变,此种频率的变化称之为频移,D超包括脉冲多普勒、连续多普勒和彩色多普勒血流图像。彩色多普勒超声一般是用自相关技术进行多普勒信号处理,把自相关技术获得的血流信号经彩色编码后实时地叠加在二维图像上,即形成彩色多普勒超声血流图像。由此可见,彩色多普勒超声(即彩超)既具有二维超声结构图像的优点,又同时提供了血流动力学的丰富信息,实际应用受到了广泛的重视和欢迎,在临床上被誉为“非创伤性血管造影”。
    为了检查心脏、血管的运动状态,了解血液流动速度,可以通过发射超声来实现。由于血管内的血液是流动的物体,所以超声波振源与相对运动的血液间就产生多普勒效应。血管向着超声源运动时,反射波的波长被压缩,因而频率增加。血管离开声源运动时,反射波的波长变长,因而在单位时向里频率减少。反射波频率增加或减少的量,是与血液流运速度成正比,从而就可根据超声波的频移量,测定血液的流速。
    我们知道血管内血流速度和血液流量,它对心血管的疾病诊断具有一定的价值,特别是对循环过程中供氧情况,闭锁能力,有无紊流,血管粥样硬化等均能提供有价值的诊断信息。
    超声多普勒法诊断心脏过程是这样的:超声振荡器产生一种高频的等幅超声信号,激励发射换能器探头,产生连续不断的超声波,向人体心血管器官发射,当超声波束遇到运动的脏器和血管时,便产生多普勒效应,反射信号就为换能器所接受,就可以根据反射波与发射的频率差异求出血流速度,根据反射波以频率是增大还是减小判定血流方向。为了使探头容易对准被测血管,通常采用一种板形双叠片探头。
    交通警向行进中的车辆发射频率已知的超声波同时测量反射波的频率,根据反射波的频率变化的多少就能知道车辆的速度。装有多普勒测速仪的监视器有时就装在路的上方,在测速的同时把车辆牌号拍摄下来,并把测得的速度自动打印在照片上。

 




 

 

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