多普勒效应在生活中的应用多普勒效应

什么是多普勒效应?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.
多普勒效应详解
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：
【多普勒效应在生活中的应用多普勒效应】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4.74×10^14赫兹,而汞灯的紫色对应的频率则在7×10^14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4.74×10^14赫兹下降到4.74×10^14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

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