Эффектом доплера называют. Фундаментальные исследования

Регистрируемых приёмником, вызванное движением их источника и/или движением приёмника. Его легко наблюдать на практике, когда мимо наблюдателя проезжает машина с включённой сиреной. Предположим, сирена выдаёт какой-то определённый тон, и он не меняется. Когда машина не движется относительно наблюдателя, тогда он слышит именно тот тон, который издаёт сирена. Но если машина будет приближаться к наблюдателю, то частота звуковых волн увеличится (а длина уменьшится), и наблюдатель услышит более высокий тон, чем на самом деле издаёт сирена. В тот момент, когда машина будет проезжать мимо наблюдателя, тот услышит тот самый тон, который на самом деле издаёт сирена. А когда машина проедет дальше и будет уже отдаляться, а не приближаться, то наблюдатель услышит более низкий тон, вследствие меньшей частоты (и, соответственно, большей длины) звуковых волн.

Для волн, распространяющихся в какой-либо среде (например, звука) нужно принимать во внимание движение как источника так и приёмника волн относительно этой среды. Для электромагнитных волн (например, света), для распространения которых не нужна никакая среда, имеет значение только относительное движение источника и приёмника.

Также важен случай, когда в среде движется заряженная частица с релятивистской скоростью. В этом случае в лабораторной системе регистрируется черенковское излучение , имеющее непосредственное отношение к эффекту Доплера.

где f 0 - частота, с которой источник испускает волны, c - скорость распространения волн в среде, v - скорость источника волн относительно среды (положительная, если источник приближается к приёмнику и отрицательная, если удаляется).

Частота, регистрируемая неподвижным приёмником

u - скорость приёмника относительно среды (положительная, если он движется по направлению к источнику).

Подставив значение частоты из формулы (1) в формулу (2), получим формулу для общего случая.

(3)

Релятивистский эффект Доплера

В случае электромагнитных волн формулу для частоты выводят из уравнений специальной теории относительности .Так как для распространения электромагнитных волн не требуется материальная среда, можно рассматривать только относительную скорость источника и наблюдателя.

где с - скорость света, v - относительная скорость приёмника и источника (положительная в случае их удаления друг от друга).

Как наблюдать эффект Доплера

Поскольку явление характерно для любых колебательных процессов, то его очень легко наблюдать для звука. Частота звуковых колебаний воспринимается на слух как высота звука . Надо дождаться ситуации, когда быстро движущийся автомобиль будет проезжать мимо вас, издавая звук, например, сирену или просто звуковой сигнал. Вы услышите, что когда автомобиль будет приближаться к вам, высота звука будет выше, потом, когда автомобиль поравняется с вами, резко понизится и далее, при удалении, автомобиль будет сигналить на более низкой ноте .

Применение

Доплеровский радар

Ссылки

• Применение эффекта Доплера для измерения течений в океане

Wikimedia Foundation . 2010 .

Смотреть что такое "Доплеровское смещение" в других словарях:

доплеровское смещение - Doplerio poslinkis statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. Doppler displacement; Doppler shift vok. Doppler Verschiebung, f rus. доплеровский сдвиг, m; доплеровское смещение, n pranc. déplacement Doppler, m; déviation Doppler, f … Fizikos terminų žodynas

доплеровское смещение частоты - Doplerio dažnio poslinkis statusas T sritis radioelektronika atitikmenys: angl. Doppler frequency displacement; Doppler frequency shift vok. Doppler Frequenzverschiebung, f rus. доплеровский сдвиг частоты, m; доплеровское смещение частоты, n… … Radioelektronikos terminų žodynas

Красное смещение сдвиг спектральных линий химических элементов в красную (длинноволновую) сторону. Это явление может быть выражением эффекта Доплера или гравитационного красного смещения, или их комбинацией. Сдвиг спектра … Википедия

Увеличение длин волн (l) линий в эл. магн. спектре источника (смещение линий в сторону красной части спектра) по сравнению с линиями эталонных спектров. Количественно К. с. характеризуется величиной z=(lприн lисп)/lисп, где lисп и lприн… … Физическая энциклопедия

Гравитационное синее смещение кванта (фотона) или иной элементарной частицы (такой как электрон, или протон) при её падении в гравитационное поле (создаваемое жёлтой звездой в нижней части … Википедия

Понижение частот электромагнитного излучения, одно из проявлений Доплера эффекта. Название «К. с.» связано с тем, что в видимой части спектра в результате этого явления линии оказываются смещенными к его красному концу; К. с. наблюдается… … Большая советская энциклопедия

Изменение частоты колебаний w или длины волны l, воспринимаемой наблюдателем, при движении источника колебаний и наблюдателя относительно друг друга. Возникновение Д. э. проще всего объяснить на след. примере. Пусть неподвижный источник испускает … Физическая энциклопедия

Теории относительности образуют существенную часть теоретического базиса современной физики. Существуют две основные теории: частная (специальная) и общая. Обе были созданы А.Эйнштейном, частная в 1905, общая в 1915. В современной физике частная… … Энциклопедия Кольера

Раздел астрономии, изучающий космические объекты путем анализа приходящего от них радиоизлучения. Многие космические тела излучают радиоволны, достигающие Земли: это, в частности, внешние слои Солнца и атмосфер планет, облака межзвездного газа.… … Энциклопедия Кольера

Горячие светящиеся небесные тела, подобные Солнцу. Звезды различаются по размеру, температуре и яркости. По многих параметрам Солнце типичная звезда, хотя кажется гораздо ярче и больше всех остальных звезд, поскольку расположено намного ближе к… … Энциклопедия Кольера

Эффект Доплера описывается формулой:

где - частота волны, регистрируемой приемником; - частота волны, испускаемой источником; - в среде; и - скорости приемника и источника относительно упругой среды соответственно.

Если источник звука приближается к приемнику, то его скорость имеет знак «плюс». Если источник удаляется от приемника, его скорость имеет знак «минус».

Из формулы видно, что при таком движении источника и приемника, при котором расстояние между ними уменьшается, воспринимаемая приемником частота оказывается больше частоты источника . Если расстояние между источником и приемником увеличивается, будет меньше, чем .

Эффект Доплера лежит в основе радаров, с помощью которых сотрудники ГАИ определяют скорость автомобиля. В медицине используют эффект Доплера для того, чтобы с помощью ультразвукового прибора отличить вены от артерий при проведении инъекций. Благодаря эффекту Доплера, астрономы установили, что Вселенная расширяется — галактики разбегаются друг от друга. С помощью эффекта Доплера определяются параметры движения планет и космических аппаратов.

Примеры решения задач

ПРИМЕР 1

ПРИМЕР 2

ПРИМЕР 3

Эффект Доплера – это изменение частоты и длины волн (оно регистрируется приёмником), порождённое перемещениями, как источника волн, так и приёмника.Причём, движения среды, в коей происходит перемещение волн, не связано с этим перемещением, а волновая скорость зависит от характеристик этой среды. Сам волновой источник уже не может влиять на дальнейшее поведение волн.

Удаляющийся источник будет иметь спектральное смещение в красную сторону, а длина волн его будет увеличиваться.

Основными волновыми характеристиками являются частота и длина волны. Частотой считается количество пиков волн, произошедшее в точке наблюдения за секунду. Длина волны – это расстояние между её «гребнями» или «впадинами». Эти две характеристики связывает скорость, с которой происходит распространение волн в какой-либо среде. Принцип явления прост: если источник волны и наблюдатель двигаются относительно друг друга, то изменится частота сигнала, воспринимаемая наблюдателем. Она либо увеличивается (приближение источника), либо снижается (удаление источника). Это частотное смещение находится в прямой пропорции к скорости источника, перемещающегося по отношению к наблюдателю.

В 1842 году австриец Кристиан Доплер сумел установить и обосновать зависимость частоты колебаний, которую оценивает наблюдатель, от скорости и направления движения источника волн. На этом явлении базируются основные принципы измерений многих параметров космических объектов.

Универсальность закона

Из практических изысканий ясно, что эффект Доплера верен для любого типа волн, в частности, и звуковых. Это легко подтверждается примером движущегося автомобиля с работающей сиреной. Приближаясь, звук сирены усиливается (уменьшение длины волны), а при удалении её, сила звука сирены будет снижаться (увеличение длины волны). Это же правило работает и для света, и электромагнитного излучения в целом. При сближении с наблюдателем светового источника, длина наблюдаемой волны будет становиться короче, и свет будет иметь оттенки спектра в фиолетовых тонах.

Эффект Доплера в астрономии

Открытие Доплера используется при анализе космических объектов. При наблюдении спектра через призму спектрометра, можно увидеть характерные линии химических элементов, находящихся в составе объекта исследования. Именно на это обратил внимание Хаббл. Заметив в спектре атомного излучения изучаемых им галактик , он сделал вывод, что эти галактики отдаляются.

Смещение в красную сторону спектра тем больше, чем дальше от нас расположены объекты.

Таким образом, становится ясно, что эффект Доплера – яркий индикатор расширяющейся Вселенной. Если бы Доплеру был известен , то он и сам бы смог вычислить расстояния до галактик.

Метод Доплера в обнаружении экзопланет

Иначе этот метод называют спектрометрическим измерением лучевой скорости звёзд. Он получил наибольшее распространение для поиска , и эффективность его применения исключительно высока.

Метод Доплера позволяет обнаруживать планеты, имеющие массы в несколько масс Земли, которые располагаются близко к своей звезде.

А также, можно «увидеть» планеты-гиганты, имеющие периоды обращения до 10 лет. Двигаясь вокруг своего светила, планета раскачивает его, что вызывает доплеровское смещение в спектре звезды. С помощью этого метода определяется амплитуда колебаний радиальной скорости между звездой и одиночной планетой. При помощи метода Доплера к концу 2012 года удалось открыть 488 планет в 379 системах планет.

Использование в других областях

Открытие нашло применение в различных областях:

• Доплеровский радар. Этот прибор улавливает частотные изменения сигнала, отражаемого от предмета. Изменение этого параметра позволяет измерить скорость объекта. Такие радары позволяют определять скорости автомобилей и летательных аппаратов, судов, течений водных потоков.
• Измерения скоростей потоков. На эффекте Доплера основан метод измерения скорости потоков жидкостей и газов. Это возможно без прямого помещения датчика в сам поток. Определение скорости происходит путём волнового рассеяния.
• Применение в медицинских исследованиях. Эффект Доплера в медицине распространён достаточно широко. Особенно удачно проводятся акушерские обследования, помогающие отслеживать ход беременности. Для диагностики характеристик кровотока также используют принцип этого эффекта.
• Методика, использующая ультразвуковые исследования, основанные на эффекте Доплера, называется доплерографией . Его сутью является то, что движущиеся объекты отражают ультразвуковые волны с изменённой частотой.

Принцип Доплера незаменим, если необходимо определять скорости предметов, например:

• Детекторы движения в различных системах охран;
• Навигация на подводных судах;
• Измерения силы ветровых потоков;
• Определение скоростей передвижения облаков.

Поразительным фактом является то, что эффект Доплера стабильно работает при гигантских колебаниях частот, но мизерных (мм/сек) скоростях источника.

Кристиан Доплер (Christian Doppler) в 1842 году, работая в Чешском Техническом Университете теоретически, что называется - «на кончике пера» вывел зависимость частоты колебаний, воспринимаемых наблюдателем, от скорости и направления движения источника волн и наблюдателя относительно друг друга.
В качестве примера для объяснения этого явления теперь принято описывать, как меняется тон гудка поезда приближающегося или удаляющегося от наблюдателя, стоящего на платформе.
Кто из нас не слышал этот высокий, нарастающий тон, вдруг резко переходящий в низкий?

Гудок создает колебания (звуковые волны), но двигаясь навстречу как бы сжимает их, а удаляясь - растягивает.
Сжимает потому, что расстояние уменьшается и каждой следующей волне требуется меньшее время, чтоб добежать до наблюдателя, а в обратном направлении наоборот, требуется большее время –волны растягиваются.
Частота (число волн в единицу времени - F), скорость распространения (V)и длина волны (от гребня до гребня - L) связаны между собой простой формулой:

F=V/L

Кристиан Доплер открыл этот эффект изучая природу света, т.е. так себя ведут не только звуковые волны или волны на воде от плывущей утки.
Точно так же изменяется частота электромагнитных колебаний в зависимости от направления движения источника или приёмника этих колебаний. Значит если облучить какой либо движущийся предмет электромагнитной волной заданной частоты, а потом сравнить эту частоту с принятой отраженной, то по разнице можно определить скорость этого предмета и направление его движения.

Вот так и был изобретен «Доплеровский измеритель скорости» или радар .

Частота отраженной волны приближающегося автомобиля больше частоты, испущенной радаром, а частота отраженной волны удаляющегося автомобиля - меньше. Это и есть эффект Доплера.
Скорость автомобиля вычисляется по разности частоты между испущенной и отраженной волной.

Любопытно, что существует неразбериха с написанием фамилии (и эффекта) "Доплер". Так, в классической справочной литературе, например, в

Объектом изучения любознательного физика может стать любое явление: плавающая в озере лодка, играющий оркестр и даже звук приближающегося поезда. Последнее, кстати, в своё время натолкнуло выдающегося австрийского учёного Кристиана Доплера на описание теории, которую позже докажут другие учёные с помощью серии зрелищных экспериментов. Результатом их труда стало описание эффекта, который позже назовут в честь Доплера.

Этот эффект в свою очередь дал огромный скачок не только в развитии астрономии, но и, возможно, даже в описании современной Теории Большого взрыва.

Кристиан Андреас Доплер

1803—1853

Австрийский математик и физик. Обосновал зависимость частоты звуковых и световых колебаний, воспринимаемых наблюдателем, от скорости и направления движения источника волн и наблюдателя относительно друг друга. Физический эффект, открытый Доплером, является неотъемлемой частью современных теорий о происхождении Вселенной

​Волны на поверхности воды

История открытия Кристиана Доплера началась с того, что он обратил внимание на поведение волн, получающихся на поверхности воды от движущихся тел. Частота волн, исходящих в сторону движения объекта, выше, чем частота волн, исходящих в противоположную сторону. На рисунке можно увидеть, что волны расходятся от лодки неравномерно: в сторону движения лодки их количество больше, а за ней — меньше.

Важно! Частота волн — это количество повторений за единицу времени (f — frequency, частота).

Тогда как от поплавка, качающегося на воде, расходятся волны, количество которых одинаково во всех направлениях. То есть, у них одинаковая частота.

Исходя из этих наблюдений, Доплер попытался перенести эту закономерность на другие виды волн: звуковые и световые. Как вы помните из предыдущего номера, все типы волн имеют одинаковые свойства. Он сформулировал теорию, которая объясняла увеличение (уменьшение) частоты волн в зависимости от движения объекта относительно наблюдателя. Например, если лодка плывёт в нашу сторону частота доходящих до нас волн будет выше, а частота волн, отходящих от нас (и от лодки), будет меньше.

​Звуковые волны

Первую попытку экспериментально проверить теорию Доплера осуществил Христофор Бейс-Баллот в 1845 году. Для проведения этого необычного эксперимента понадобилось два оркестра и самый быстрый поезд того времени (64 км/ч). Идея эксперимента заключалась в следующем: на поезде, следовавшем из Утрехта в Амстердам, разместили оркестр трубачей, которые громко играли определённую ноту. На перроне их дожидался Бейс-Баллот и другая группа трубачей, которая играла ту же ноту. Вот что из всего этого вышло: звук ноты с поезда при приближении звучал иначе (диссонировал, то есть тон ноты был выше) с тем, что играли трубачи. Хотя оба оркестра играли одно и то же, на одинаковых инструментах. И дело было не в громкости или посторонних шумах.

Учёный установил, что с приближением поезда диссонанс исчезал, вплоть до полного его исчезновения, когда поезд был у перрона. Далее произошёл обратный процесс: чем дальше поезд удалялся, тем сильнее становился диссонанс. Возможно, вы тоже были свидетелем подобного явления: вспомните вой сирены проезжающей мимо вас машины скорой помощи. Складывается ощущение, что сирена играет на трёх разных тонах, при том, что она не могла его менять.

Обратите внимание на сходство поведения звуковых волн с тем, что мы наблюдали на примере с движением лодки по озеру.

Этот эксперимент подтвердил верность суждений Доплера и позволил в будущем учёным использовать эту закономерность и провести аналогичный эксперимент, но уже на электромагнитных волнах.

​Электромагнитные волны

Сами того не подозревая, мы часто сталкиваемся с электромагнитными волнами (радиоволны, рентгеновские лучи, инфракрасное излучение), но самым привычным из них является видимый свет. Любая волна характеризуется частотой (f) или длиной волны (λ), причем получить один параметр, зная другой, достаточно просто.

Где v — фазовая скорость, волны (для электромагнитных волн, v = 299 792 458 м/c); T — период колебаний (величина обратная частоте).

Длина электромагнитных волн может быть разной, но человеческий глаз различает только определённый спектр волн. Их длина начинается от 400 нанометров (фиолетовый) и заканчивается 700 нанометрами (красный).

В зависимости от длины электромагнитной волны, глаз распознаёт её как определённый цвет. Например, то, что мы называем синим цветом — это излучение волны в диапазоне от 400 — 450 нм.

Как мы отметили ранее, Доплер провёл параллель между распространением акустических и оптических волн. В своей основной работе, где впервые были изложены его идеи, учёный задался вопросом: «Почему звёзды имеют тот или иной цвет?». Он исходил из следующих соображений: 1) очевидно, звёзды являются источниками излучения света; 2) испускаемый свет — это равномерная (в одинаковых пропорциях) комбинация всех цветов. Если смешать все видимые цвета, вы получите белый (это работает только светом). В зависимости от движения источника, происходит увеличение или уменьшение частоты испускаемого им света. Мы видим это как изменение цвета, потому что соответственно меняется длина волны. Вспомните пример с лодкой. Доплер полагал, что при смещении, некоторые цветовые компоненты как бы «выходят» из видимого спектра, а оставшаяся комбинация определяет цвет звезды.

Позднее выяснилось, что в его теории есть неточности, связанные с тем, что в то время человечество не обладало достаточными знаниями о природе света.

Главной ошибкой Доплера было то, что он считал, что все звёзды испускают белый свет. Он не знал о существовании инфракрасного и ультрафиолетового излучений, куда собственно должны были «уходить» цветовые компоненты. Тем не менее, общие суждения об изменении длины волны при движении источника излучения были верны.

​Почему разные элементы светятся по разному?

Согласно простейшей модели строения атома Бора, электроны находятся на чётко определённых орбитах вокруг ядра атома (Планетарная система атома). При этом, они могут скачками переходить с орбиты на орбиту, излучая или поглощая энергию, и это явление называется квантовым скачком . Если электрон переходит на более низкую орбиту, он теряет квант энергии и излучает квант света — фотон, который характеризуется строго определённой длиной волны, зависящей от потери энергии при квантовом скачке. Излучаемые таким образом фотоны мы воспринимаем, как свечение совершенно определённого цвета — раскалённая медная проволока, например, светится синим. Это означает, что верно и обратное, если мы видим, например, синее свечение при разогреве металла, скорее всего, это медь. Изучением подобных взаимосвязей между свечением атома и его структурой занимается раздел физики под название «спектроскопия» .

Теперь представьте себе, что вы наблюдаете в телескоп за раскалённой проволокой в космосе и она светится синим цветом. Вы опять же можете сказать, что она медная. Именно такой принцип лежит в основе спектрального анализа далёких звёзд. Только необходимо отметить, что звёзды состоят не из меди, а из гелия и водорода.

​Красное доплеровское смещение

Американский астроном , впервые измеряя расстояния до ближайших галактик на новейшем телескопе, обнаружил, что спектральный анализ далёких звёзд отличается от аналогичных звёзд поблизости. Причём цвета были смещены в красную область. Единственным объяснением этого явления мог быть эффект Доплера. То есть свет, исходящий от более далёкой звезды в направлении Земли имел большую длину, то есть был более красным. Подобное «покраснение», то есть красное смещение наблюдалось по отношению ко всем видимым звёздам.

Это привело Хаббла к идее, что все звёзды отдаляются друг от друга. Причём, чем дальше находится звезда, тем быстрее она отдаляется. Астроном смог вывести элегантную математическую модель этого расширения.

Именно закон Хаббла, а точнее его прямое следствие лежит в основе умопомрачительной идеи о расширении Вселенной. Ведь если «отмотать» время назад, то звёзды находились ближе друг к другу. Продолжая «отматывать» время, в конце концов мы получим следующую картину: в начале времён все звёзды находились в одном месте, в одной точке. И это было зарождением нашей Вселенной.

Сегодня — самая логичная модель появления Вселенной и обосновать её ученые смогли именно благодаря эффекту Доплера.