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为什么会产生多普勒效应?

发布时间:2019-08-06 11:25 来源:未知 编辑:admin

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  展开全部在单色的情况下,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,在图4中显示了多普勒频移,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(参见图中所画的虚线赫兹,这个数值大幅度地降移到红外线的频段。

  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(Christian Doppler,1803-1853)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,好象波被压缩了.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,好象波被拉伸了. 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

  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)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.

  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,首先发现了光谱的红移,认识到了旋涡星云正快速远离地球而去.1929年哈勃根据光普红移总结出著名的哈勃定律:星系的远离速度v与距地球的距离r成正比,即v=Hr,H为哈勃常数.根据哈勃定律和后来更多天体红移的测定,人们相信宇宙在长时间内一直在膨胀,物质密度一直在变小. 由此推知,宇宙结构在某一时刻前是不存在的,它只能是演化的产物. 因而1948年伽莫夫(G. Gamow)和他的同事们提出大爆炸宇宙模型. 20世纪60年代以来,大爆炸宇宙模型逐渐被广泛接受,以致被天文学家称为宇宙的标准模型 . 多普勒-斐索效应使人们对距地球任意远的天体的运动的研究成为可能,这只要分析一下接收到的光的频谱就行了. 1868年,英国天文学家W. 哈金斯用这种办法测量了天狼星的视向速度(即物体远离我们而去的速度),得出了 46 km/s的速度值

  多普勒效应是为纪念Christian Doppler而命名的,他于1842年首先提出了这一理论。

  他认为声波频率在声源移向观察者时变高,而在声源远离观察者时变低。一个常被使用的例子是火车,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。

  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是更接近你自己。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。

  奥地利物理学家多普勒生于1803年,是萨尔茨堡一名石匠的儿子。父母本来期望他子承父业,可是他自小体弱多病,无法当一名石匠。他们接受了一位数学教授的意见,让多普勒到维也纳理工学院学习数学。多普勒毕业后又回到萨尔茨堡修读哲学课,然后再到维也纳大学学习高级数学、天文学和力学。

  毕业后,多普勒留在维也纳大学当了四年教授助理,又当过工厂的会计员,然后到了布拉格一所技术中学任教,同时任布拉格理工学院的兼职讲师。到了1841年,他才正式成为理工学院的数学教授。多普勒是一位严谨的老师。他曾经被学生投诉考试过于严厉而被学校调查。繁重的教务和沉重的压力使多普勒的健康每况愈下,但他的科学成就使他闻名于世。1850年,他获委任为维也纳大学物理学院的第一任院长,可是他在三年后便辞世,年仅四十九岁。

  著名的多普勒效应首次出现在1842年发表的一篇论文上。1842年,奥地利物理学家多普勒带着女儿在铁道旁散步时就注意到了当波源和观察者有相对运动时,观察者接收到的波频会改变。他试图用这个原理来解释双星的颜色变化。虽然多普勒误将光波当作纵波,但多普勒效应这个结论却是正确的。多普勒效应对双星的颜色只有些微的影响,在那个时代,根本没有仪器能够量度出那些变化。不过,从1845年开始,便有人利用声波来进行实验。他们让一些乐手在火车上奏出乐音,请另一些乐手在月台上写下火车逐渐接近和离开时听到的音高。实验结果支持多普勒效应的存在。

  多普勒效应不仅仅适用于声波,它也适用于所有类型的波,包括光波、电磁波。科学家Edwin Hubble使用多普勒效应得出宇宙正在膨胀的结论.他发现远处银河系的光线频率在变高,即移向光谱的红端.这就是红色多普勒频移,或称红移.若银河系正移向他,光线就成为蓝移.。

  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(Christian Doppler,1803-1853)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,好象波被压缩了.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,好象波被拉伸了. 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 。

  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)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.

  检查机动车速度的雷达测速仪也是利用这种多普勒效应。交通警向行进中的车辆发射频率已知的电磁波,通常是红外线,同时测量反射波的频率,根据反射波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警车有时就停在公路旁,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。

  在临床上,多普勒效应的应用也不断增多,近年来迅速发展起超声脉冲Doppler检查仪,当声源或反射界面移动时,比如当红细胞流经心脏大血管时,从其表面散射的声音频率发生改变,由这种频率偏移可以知道血流的方向和速度,如红细胞朝向探头时,根据Doppler原理,反射的声频则提高,如红细胞离开探头时,反射的声频则降低。

  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,首先发现了光谱的红移,认识到了旋涡星云正快速远离地球而去。1929年哈勃根据光普红移总结出著名的哈勃定律:星系的远离速度v与距地球的距离r成正比,即v=Hr,H为哈勃常数.根据哈勃定律和后来更多天体红移的测定,人们相信宇宙在长时间内一直在膨胀,物质密度一直在变小. 由此推知,宇宙结构在某一时刻前是不存在的,它只能是演化的产物。 因而1948年伽莫夫(G. Gamow)和他的同事们提出大爆炸宇宙模型。 20世纪60年代以来,大爆炸宇宙模型逐渐被广泛接受,以致被天文学家称为宇宙的标准模型 。

  多普勒-斐索效应使人们对距地球任意远的天体的运动的研究成为可能,这只要分析一下接收到的光的频谱就行了。 1868年,英国天文学家W. 哈金斯用这种办法测量了天狼星的视向速度(即物体远离我们而去的速度),得出了46 km/s的速度值。

  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,但在卫星移动通信中,当飞机移向卫星时,频率变高,远离卫星时,频率变低,而且由于飞机的速度十分快,所以我们在卫星移动通信中要充分考虑多普勒效应。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。

  当你站在公路旁,留意一辆快速行驶汽车的引擎声音,你会发现在它向你行驶时声音的音调会变高(即频率变高),在它离你而去时音调会变得低些(即频率变低)。这种现象叫做多普勒效应。在光现象里同样存在多普勒效应,当光源向你快速运动时,光的频率也会增加,表现为光的颜色向蓝光方向偏移(因为在可见光里,蓝光的频率高),即光谱出现蓝移;而当光源快速离你而去时,光的频率会减小,表现为光的颜色会向红光方向偏移(因为在可见光里,红光的频率低),即光谱出现红移。

  如果我们将一个小石块投入平静的水面,水面上会产生阵阵涟漪,并不断地向前传播。这时波源处的水面每振动一次,水面上就会产生一个新的波列。

  设波源的振动周期为T,即波源每隔时间T振动一次,则水面上两个相邻波列之间的距离就为VT,其中V是波在水中的传播速度。在物理学中我们把这一相邻波列之间的距离称为波长,用符号λ表示。这样,波的波长、波速及振动周期三者的关系就可表示为:λ=VT (1)

  由于波源振动一次所需的时间为T,则波源在单位时间内振动的次数就为1/T。物理学上,把波源在单位时间内振动的次数称为波的频率,用f表示。这样,它和周期的关系就可表示为f=1/T, 或T=1/f (2)

  此式是我们讨论与波有关问题的基本公式,虽然是对水波的传播总结出来的,但它对一切波都适用。

  实验研究表明:对于确定的介质,波的传播速度V是一个定值。所以,当波在某一确定的介质中传播时,它的波长λ与它的周期成正比(与频率成反比)。即波的频率越高,周期越小,其波长越短;反之,波的频率越低,周期越大,其波长越长。

  对声波而言,声音的频率决定着声音的音调。即声波的频率越高,声波的音调也越高,声音也越尖、越细,甚至越刺耳。根据上述的结论,产生高音的声源振动较慢,振动周期长,对应声波的波长也较长。例如:10000Hz的声波的波长是100Hz声波波长的1/100。

  而在可见光中,光波的频率决定着色光的颜色。频率由低到高依次对应红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫。其中红光频率最低,波长最长;紫光的频率最高,但波长最短。

  假设有个光源每隔时间T发出一个波列,即光源的周期为T。如图,当它静止时相邻两个波列时间间隔为 T,距离间隔为 λ=cT

  当光源以速度V离开观察者时,在每两个相邻的波列之间的时间里光源移动的距离为VT,于是下一个波峰到达观察者所需的时间便增加了VT/c,所以,相邻的两个波峰到达观察者那里所需的时间就为:

  即这时相对于观察者而言,光波的周期变长了,频率变低了。根据上面关于频率于光色之间的关系可知,次光的颜色会向红光偏移。物理学上,把这一现象称为红移。

  这时到达观察者那里的两个相邻的波列的距离,即波长就变为 λ’=cT+VT

  即波长增加了V/c,我们把这个相对增加量就成为红移量,它取决于光源的远离速度。由于一般情况下V c,所以看不到光谱的红移现象;仅当V与c可以比较时,才有可能出现较为明显的红移现象。

  例如室女座星系团正以约1000公里/秒的速度离开我们的银河系,于是它的频谱上任何谱线的波长都要比正常值大一个比率 λ’/λ=1+V/c =1+10000/300000=1.0033

  若光源是向着观察者运动的,这时只需将以上公式中V改为-V就可以了。所不同的是,这时将出现光的蓝移现象。

  根据光源的移动速度,我们可以计算出光在频谱中的偏移量;反之,根据光在频谱中的偏移量,我们也可以计算出光源相对我们的移动速度。理解这一点,我们就不难理解哈勃定律的发现过程了。

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