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多普勒效应知多少等

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人们往往有这样的生活经验,当一列火车向我们快速驶来,我们耳朵感觉到的火车鸣笛声音要比火车实际的鸣笛音调高,亦即频率值变大;而当火车渐渐离我们远去时,我们耳朵感觉到的鸣笛声音要比火车实际的鸣笛音调低,亦即频率值变小。这个有趣的物理现象是由多普勒效应所致。多普勒效应这个物理现象,最早由奥地利物理学家及数学家克里斯琴·约翰·多普勒于1842年发现。随后,荷兰气象学家拜斯·巴洛特也观察到了这一现象,他让一队喇叭手站在一辆疾驶而过的敞篷火车上吹奏,在站台上的他很明显地检测到了音调的改变。那么,究竟什么是多普勒效应呢?

多普勒效应的原理

如果将鸣笛的火车称为声源,人称为观测者,那么所谓多普勒效应,就是当声源与观测者发生相对运动时,观测者接收到的声波频率与声源实际发出的声波频率不同的现象。最初,多普勒效应只是在声波中被发现,但随着物理学的发展,逐渐在其他类型的波中,如电磁波、光波中也发现了多普勒效应。

更进一步地分析,可以将此现象分为三种情况:一是观测者静止,声源相对于空气介质运动;二是声源静止,观测者相对于空气介质运动;三是声源和观测者同时相对于空气介质运动。在上述三种情况下,观测者听到的声音频率都会发生变化。

以第一种情况为例,设空气介质中的声波波速为u,声源的振动频率为υ,观察者接收到的频率为υ'。当声源以速度us向着静止的观察者运动时,它发出的声波波面不再是同心圆,而是不断向着观测者推进,如图1所示。

这时,向着观测者一侧的波被挤压,波长变短。由于在一个周期T内,声源向观测者运动了usT 的距离,所以在观测者看来,声波波长被压缩为λ'=λ-usT,其中λ是波源相对空气介质不动时的波长。于是,观测者耳朵接收到的声波频率为:

这表明,当声源朝着观测者运动时,观测者接收到的频率υ'高于声源频率υ。而当声源远离观测者运动时,由于us为负,因此观测者接收到的频率υ'低于声源频率υ。当快速行驶的列车驶向我们时,汽笛声的音调变高,而离我们远去时汽笛声的音调变低,就是基于这个原理。

再来说一下声源。当多普勒效应产生的时候,声源频率是否也改变了呢?当然没有。显而易见,如果我们不人为地调节改变声源频率,那么即使声源处于运动状态,其频率也是不会变化的。设想在刚才的火车上坐着一个人,他听到的声音音调是不会因为火车运动而发生变化的。

多普勒效应的应用

多普勒机动车超速自动监测系统 多普勒机动车超速自动监测系统能够对机动车辆行驶速度进行实时、自动测量,并自动记录车辆行驶时的速度值、车辆图像、日期、时间、地点等相关信息作为执法证明。它的出现,极大地缓解了当前交通管理中警力调配不足的问题,在一定程度上遏制了超速事故的发生。机动车自动检测系统进行测速的原理,就是基于多普勒效应。多普勒车速检测系统向行进中的车辆发射频率已知的超声波,然后测量经车辆反射折回的反射波频率,根据反射波频率的变化,对应多普勒效应公式,就可以计算出车辆的速度(图2)。

多普勒超声诊断 多普勒效应在医学领域最为广泛的应用即为彩超技术。其实彩超并非看到了人体组织真正的颜色,而是在黑白B超图像的基础上,加上以多普勒效应为基础的“伪彩”而形成的。利用多普勒效应,我们能判定超声图像中血液的流动方向,以及流速的大小和性质,根据血液的流动方向及速度设计色彩,再将这种色彩叠加在二维黑白B超图像上,就形成了我们今天见到的彩超图像(图3)。

宇宙膨胀中的多普勒效应 前面说过,多普勒效应不仅适用于声波,也适用于所有类型的波,包括电磁波。20世纪20年代,美国天文学家斯莱弗在研究远处的旋涡星云发出的光谱时,首先发现了银河系中遥远天体发射的光线频率变低的现象,即光线频率移向光谱的红光端,称为红移(图4)。这说明这些天体在远离银河系,并且天体离开银河系的速度越快,红移越大。斯莱弗通过上述现象,推断旋涡星云正快速远离地球而去。多普勒效应使人们对距离地球任意远天体运动的研究成为可能,只要分析一下接收到的光的频谱即可。1868年,英国天文学家哈金斯利用这种办法,测量出天狼星的速度为46千米/秒。