大學(xué)物理之多普勒效應(yīng)演示課件

1、多普勒效應(yīng)Doppler effect,斯琴約翰多普勒（Christian Johann Doppler）,1803年11月29日，多普勒出生于奧地利的薩爾茨 堡(Salzburg)。 1822 年他開(kāi)始在維也納工學(xué)院學(xué)習(xí)，他在數(shù)學(xué)方 面顯示出超常的水平。1825 年多普勒以優(yōu)異的 成績(jī)畢業(yè)。在這之后他又去維也納大學(xué)學(xué)習(xí)了高 等數(shù)學(xué)，力學(xué)和天文學(xué)。 1829 年在維也納大學(xué)學(xué)習(xí)結(jié)束的時(shí)候，他被任命 為高等數(shù)學(xué)和力學(xué)教授助理，他在大學(xué)四年期間發(fā) 表了四篇數(shù)學(xué)論文。1841年，他正式成為理工學(xué)院 的數(shù)學(xué)教授。 1842年，他在文章 On the Colored Light of Double St

2、ars 提出“多普勒效應(yīng)”(Doppler Effect)，因 而聞名于世。 1850年，他獲委任為維也納大學(xué)物理學(xué)院的 第一任院長(zhǎng)，可惜的是三年后他便在在意 大利威尼斯去世，年僅四十九歲。,多普勒效應(yīng)的發(fā)現(xiàn),1842年奧地利一位名叫多普勒的數(shù)學(xué)家、物理學(xué)家。一天，他正路過(guò)鐵路交叉處，恰逢一列火車從他身旁馳過(guò)，他發(fā)現(xiàn)火車從遠(yuǎn)而近時(shí)汽笛聲變響，音調(diào)變尖，而火車從近而遠(yuǎn)時(shí)汽笛聲變?nèi)?，音調(diào)變低。 他對(duì)這個(gè)物理現(xiàn)象感到極大興趣，并進(jìn)行了研究。發(fā)現(xiàn)這是由于振源與觀察者之間存在著相對(duì)運(yùn)動(dòng)，使觀察者聽(tīng)到的聲音頻率不同于振源頻率的現(xiàn)象。這就是頻移現(xiàn)象。 因?yàn)椋曉聪鄬?duì)于觀測(cè)者在運(yùn)動(dòng)時(shí)，觀測(cè)者所聽(tīng)到的聲音會(huì)發(fā)生

3、變化。 當(dāng)聲源離觀測(cè)者而去時(shí)，聲波的波長(zhǎng)增加，音調(diào)變得低沉，當(dāng)聲源接近觀測(cè)者時(shí)，聲波的波長(zhǎng)減小，音調(diào)就變高。音調(diào)的變化同聲源與觀測(cè)者間的相對(duì)速度和聲速的比值有關(guān)。這一比值越大，改變就越顯著，后人把它稱為“多普勒效應(yīng)”。,多普勒推導(dǎo)出當(dāng)波源和觀察者有相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，觀察者接收到的波頻會(huì)改變。 他試圖用這個(gè)原理來(lái)解釋雙星的顏色變化。雖然多普勒誤將光波當(dāng)作縱波，但多普勒效應(yīng)這個(gè)結(jié)論卻是正確的。多普勒效應(yīng)對(duì)雙星的顏色只有些微的影響，在那個(gè)時(shí)代，根本沒(méi)有儀器能夠量度出那些變化。 不過(guò)，從1845年開(kāi)始，便有人利用聲波來(lái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。他們讓一些樂(lè)手在火車上奏出樂(lè)音，請(qǐng)另一些樂(lè)手在月臺(tái)上寫下火車逐漸接近和離開(kāi)時(shí)聽(tīng)到

4、的音高。實(shí)驗(yàn)結(jié)果支持多普勒效應(yīng)的存在。,物體輻射的波長(zhǎng)因?yàn)椴ㄔ春陀^測(cè)者的相對(duì)運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生變化。在運(yùn)動(dòng)的波源前面，波被壓縮，波長(zhǎng)變得較短，頻率變得較高 （藍(lán)移blue shift）；當(dāng)運(yùn)動(dòng)在波源后面時(shí)，會(huì)產(chǎn)生相反的效應(yīng)。波長(zhǎng)變得較長(zhǎng)，頻率變得較低 （紅移red shift）。波源的速度越高，所產(chǎn)生的效應(yīng)越大。根據(jù)波紅（藍(lán)）移的程度，可以計(jì)算出波源循著觀測(cè)方向運(yùn)動(dòng)的速度。 所有波動(dòng)現(xiàn)象都存在多普勒效應(yīng)。,簡(jiǎn)介,多普勒效應(yīng)的原理,多普勒效應(yīng)指出，波在波源移向觀察者時(shí)接收頻率變高，而在波源遠(yuǎn)離觀察者時(shí)接收頻率變低。當(dāng)觀察者移動(dòng)時(shí)也能得到同樣的結(jié)論。但是由于缺少實(shí)驗(yàn)設(shè)備，多普勒當(dāng)時(shí)沒(méi)有用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。 產(chǎn)生原

5、因： 聲源完成一次全振動(dòng)，向外發(fā)出一個(gè)波長(zhǎng)的波，頻率表示單位時(shí)間內(nèi) 完成的全振動(dòng)的次數(shù)，因此波源的頻率等于單位時(shí)間內(nèi)波源發(fā)出的完全波的個(gè)數(shù)，而觀察者聽(tīng)到的聲音的音調(diào)，是由觀察者接受到的頻率，即單位時(shí)間接收到的完全波的個(gè)數(shù) 決定的。當(dāng)波源和觀察者有相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，觀察者接收到的頻率會(huì)改變。在單位時(shí)間內(nèi)，觀察者接收到的完全波的個(gè)數(shù)增多，即接收到的頻率增大。同樣的道理，當(dāng)觀察者遠(yuǎn)離 波源，觀察者在單位時(shí)間內(nèi)接收到的完全波的個(gè)數(shù)減少，即接收到的頻率減小。,電磁波中的多普勒效應(yīng),科學(xué)家愛(ài)德文哈勃（Edwin Hubble）使用多普勒效應(yīng)得出宇宙正在膨脹的結(jié)論。他發(fā)現(xiàn)遠(yuǎn)離銀河系的天體發(fā)射的光線頻率變低,即移向

6、光譜的紅端，稱為紅移，并且天體遠(yuǎn)離銀河系的速度越快，紅移越大。反之，如果天體正移向銀河系，則光線會(huì)發(fā)生藍(lán)移。 在移動(dòng)通信中，當(dāng)移動(dòng)臺(tái)移向基站時(shí)，頻率變高，遠(yuǎn)離基站時(shí)，頻率變低，所以我們?cè)谝苿?dòng)通信中要充分考慮多普勒效應(yīng)。當(dāng)然，由于日常生活中，我們移動(dòng)速度的局限，不可能會(huì)帶來(lái)十分大的頻率偏移，但是這不可否認(rèn)地會(huì)給移動(dòng)通信帶來(lái)影響，為了避免這種影響造成我們通信中的問(wèn)題，我們不得不在技術(shù)上加以各種考慮，也加大了移動(dòng)通信的復(fù)雜性。,光波中的多普勒效應(yīng),具有波動(dòng)性的光也會(huì)出現(xiàn)這種效應(yīng)，它又被稱多普勒-斐索效應(yīng)。 法國(guó)物理學(xué)家斐索（18191896年）于1848年獨(dú)立地對(duì)來(lái)自恒星的波長(zhǎng)偏移做了解釋，指出了利

7、用這種效應(yīng)測(cè)量恒星相對(duì)速度的辦法。光波與聲波的不同之處在于，光波頻率的變化使人感覺(jué)到是顏色的變化。 如果恒星遠(yuǎn)離我們而去，則光的譜線就向紅光方向移動(dòng)，稱為紅移；如果恒星朝向我們運(yùn)動(dòng)，光的譜線就向紫光方向移動(dòng)，稱為藍(lán)移。,向左行 進(jìn)的波,向右行 進(jìn)的波,多普勒效應(yīng)的應(yīng)用,醫(yī)學(xué)應(yīng)用 超聲頻移診斷法，即D超，此法應(yīng)用多普勒效應(yīng)原理，當(dāng)聲源與接收體（即探頭和反射體）之間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，回聲的頻率有所改變，此種頻率的變化稱之為頻移，D超包括脈沖多普勒、連續(xù)多普勒和彩色多普勒血流圖像。 彩色多普勒超聲一般是用自相關(guān)技術(shù)進(jìn)行多普勒信號(hào)處理，把自相關(guān)技術(shù)獲得的血流信號(hào)經(jīng)彩色編碼后實(shí)時(shí)地疊加在二維圖像上，即形成彩

8、色多普勒超聲血流圖像。由此可見(jiàn)，彩色多普勒超聲（即彩超）既具有二維超聲結(jié)構(gòu)圖像的優(yōu)點(diǎn)，又同時(shí)提供了血流動(dòng)力學(xué)的豐富信息，實(shí)際應(yīng)用受到了廣泛的重視和歡迎，在臨床上被譽(yù)為“非創(chuàng)傷性血管造影”。,多普勒雷達(dá) 當(dāng)雷達(dá)發(fā)射一固定頻率的脈沖波對(duì)空掃描時(shí)， 如遇到活動(dòng)目標(biāo)，回波的頻率與發(fā)射波的頻率出現(xiàn)頻率差，稱為多普勒頻率。 根據(jù)多普勒頻率的大小，可測(cè)出目標(biāo)對(duì)雷達(dá)的徑向相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度；根據(jù)發(fā)射脈沖和接收的時(shí)間差，可以測(cè)出目標(biāo)的距離。 同時(shí)用頻率過(guò)濾方法檢測(cè)目標(biāo)的多普勒頻率譜線，濾除干擾雜波的譜線，可使雷達(dá)從強(qiáng)雜波中分辨出目標(biāo)信號(hào)。所以脈沖多普勒雷達(dá)比普通雷達(dá)的抗雜波干擾能力強(qiáng)，能探測(cè)出隱蔽在背景中的活動(dòng)目標(biāo)。,多普勒雷達(dá),交通應(yīng)用 交警向行進(jìn)中的車輛發(fā)射頻率已知的超聲波同時(shí)測(cè)量反射波的頻率，根據(jù)反射波的頻率變化的多少就能知道車輛的速度。裝有多普勒測(cè)速儀的監(jiān)視器有時(shí)就裝在路的上方，在測(cè)速的同時(shí)把車輛牌號(hào)拍攝下來(lái)，并把測(cè)得的速度自動(dòng)打印在照片上。 注：激光多普勒測(cè)速儀 激光多普勒測(cè)速儀(Laser Doppler Anemo