淺談多普勒效應(yīng)

1、 一、聲波的多普勒效應(yīng) 在日常生活中，我們都會(huì)有這種經(jīng)驗(yàn)：當(dāng)一列鳴著汽笛的火車經(jīng)過某觀察者時(shí)，他會(huì)發(fā)現(xiàn)火車汽笛的聲調(diào)由高變低. 為什么會(huì)發(fā)生這種現(xiàn)象呢？這是因?yàn)槁曊{(diào)的高低是由聲波振動(dòng)頻率的不同決定的，如果頻率高，聲調(diào)聽起來就高；反之聲調(diào)聽起來就低.這種現(xiàn)象稱為多普勒效應(yīng)，它是發(fā)現(xiàn)者克里斯蒂安多普勒（Christian Doppler,1803-1853）的名字命名的， 多普勒是奧地利物理學(xué)家和數(shù)學(xué)家.他于 1842 年首先發(fā)現(xiàn)了這種效應(yīng).為了理解這一現(xiàn)象，就需要考察火車以恒定速度駛近時(shí)，汽笛發(fā)出的聲波在傳播時(shí)的規(guī)律.其結(jié)果是聲波的波長(zhǎng)縮短，好象波被壓縮了.因此，在一定時(shí)間間隔內(nèi)傳播的波數(shù)就增加

2、了，這就是觀察者為什么會(huì)感受到聲調(diào)變高的原因；相反，當(dāng)火車駛向遠(yuǎn)方時(shí)，聲波的波長(zhǎng)變大，好象波被拉伸了. 因此，聲音聽起來就顯得低沉.定量分析得到 f1=（u+v0）/（u-vs）f ，其中 vs 為波源相對(duì)于介質(zhì)的速度，v0 為觀察者相對(duì)于介質(zhì)的速度，f 表示波源的固有頻率，u 表示波在靜止介質(zhì)中的傳播速度. 當(dāng)觀察者朝波源運(yùn)動(dòng)時(shí)，v0 取正號(hào)；當(dāng)觀察者背離波源（即順著波源）運(yùn)動(dòng)時(shí)，v0 取負(fù)號(hào). 當(dāng)波源朝觀察者運(yùn)動(dòng)時(shí) vs前面取負(fù)號(hào)；前波源背離觀察者運(yùn)動(dòng)時(shí) vs 取正號(hào). 從上式易知，當(dāng)觀察者與聲源相互靠近時(shí)，1 ；當(dāng)觀察者與聲源相互遠(yuǎn)離時(shí)。 二、光波的多普勒效應(yīng) 具有波動(dòng)性的光也會(huì)出現(xiàn)這種

3、效應(yīng)， 它又被稱為多普勒-斐索效應(yīng). 因?yàn)榉▏?guó)物理學(xué)家斐索（1819-1896）于 1848 年獨(dú)立地對(duì)來自恒星的波長(zhǎng)偏移做了解釋， 指出了利用這種效應(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. 三、光的多普勒效應(yīng)的應(yīng)用 20 世紀(jì) 20 年代，美國(guó)天文學(xué)家斯萊弗在研究遠(yuǎn)處的旋渦星云發(fā)出的光譜時(shí)，首先發(fā)現(xiàn)了光譜的紅移，認(rèn)識(shí)到了旋渦星云正快速遠(yuǎn)離地球而去.1929 年哈勃根據(jù)光譜紅移總結(jié)出著名的哈勃定律：星系的遠(yuǎn)離速度 v 與距地

4、球的距離r 成正比，即 v=Hr,（H 為哈勃常數(shù)）.根據(jù)哈勃定律和后來更多天體紅移的測(cè)定，人們相信宇宙在長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)一直在膨脹，物質(zhì)密度一直在變小. 由此推知，宇宙結(jié)構(gòu)在某一時(shí)刻前是不存在的， 它只能是演化的產(chǎn)物. 因而 1948 年伽莫夫（G. Gamut）和他的同事們提出大爆炸宇宙模型. 20 世紀(jì) 60 年代以來，大爆炸宇宙模型逐漸被廣泛接受，以致被天文學(xué)家稱為宇宙的標(biāo)準(zhǔn)模型 . 多普勒-斐索效應(yīng)使人們對(duì)距地球任意遠(yuǎn)的天體的運(yùn)動(dòng)的研究成為可能， 這只要分析一下接收到的光的頻譜就行了. 1868 年，英國(guó)天文學(xué)家 W. 哈金斯用這種辦法測(cè)量了天狼星的視向速度（即物體遠(yuǎn)離我們而去的速度），得出

5、了 46 km/s 的速度值 . 光的多普勒效應(yīng)光的多普勒效應(yīng)在經(jīng)典物理學(xué)中，如果波源和觀察者之間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，那么觀察者接收到的頻率和波源的頻率就不相同了，這種現(xiàn)象叫做多普勒效應(yīng)。相對(duì)運(yùn)動(dòng)必須區(qū)別為：（1）波源運(yùn)動(dòng)，接收器靜止；（2）波源靜止，接收器運(yùn)動(dòng)，兩種基本情況，由波源、媒質(zhì)、接收器三者間狀態(tài)決定。對(duì)于光波來說，從相對(duì)論的觀點(diǎn)看來，以太作為具有彈性的傳播光波的力學(xué)媒質(zhì)的觀點(diǎn)是不存在的，因而在兩種情況之間不應(yīng)有任何差別。一光源在慣性系 中以速度 作勻速運(yùn)動(dòng)， 它相對(duì)于原點(diǎn)處的觀察者 的瞬間徑向速度分量為 ，和光源一道運(yùn)動(dòng)的觀察者 測(cè)得相繼的兩光波波峰的時(shí)間間隔為。在這段時(shí)間內(nèi)，光源和 的距

6、離增加了（考慮了時(shí)間膨脹），因而由 觀測(cè)到的波峰的時(shí)間間隔是 于是得到頻率變換式 （為光源固有頻率，為系中接收器接收光脈沖信號(hào)的頻率。） 當(dāng)光源作純粹徑向運(yùn)動(dòng)時(shí)，得 （ 離而去） （ 向運(yùn)動(dòng)） 設(shè)光線的反方向和系的軸的夾角為， 令， 代入頻率變換式得到 這就是多普勒效應(yīng)的相對(duì)論公式。在相對(duì)論范圍內(nèi)，存在著所謂橫向多普勒效應(yīng)，也就是當(dāng)相對(duì)速度的方向與觀測(cè)方向垂直時(shí)，頻率發(fā)生了變化。當(dāng)然，這完全是由時(shí)間膨脹引起的。這里又提供了一種證明自然界存在時(shí)間膨脹的方法。 多普勒效應(yīng)不僅適用于聲波，同樣也適用于光波。當(dāng)光源快速朝著我們運(yùn)動(dòng)時(shí)，它所發(fā)射的光會(huì)發(fā)生“藍(lán)移”，頻率增大；反之，當(dāng)光源離我們而去時(shí)，它所

7、發(fā)射的光會(huì)發(fā)生“紅移”，頻率減小。天文學(xué)家常常反過來利用多普勒效應(yīng)：把某個(gè)恒星發(fā)的光譜與正常的光譜相比較，如果光譜線“藍(lán)移”，則說明這個(gè)恒星正向著我們而來；如果光譜線“紅移”，則說明這個(gè)恒星背離我們而去。而且根據(jù)“藍(lán)移”和“紅移”量的大小還可以估算出該恒星的運(yùn)動(dòng)速度。 1 929 年 美 國(guó) 天 文 學(xué) 家 哈 勃 發(fā) 現(xiàn) ，河 外 星 系 普 遍 都 有 紅 移 現(xiàn) 象 。 紅 移 就 是 光 譜 線 的 波 長(zhǎng) 變 長(zhǎng) 了（ 或頻 率 降 低 了 ） ， 如 果 原 來 某 種 原 子 發(fā) 射 的 一 條 譜 線 的 波 長(zhǎng) 為 0 ， 那 么 ， 從 河 外 星 系 來 的 這 種 譜

8、線 波長(zhǎng) 總 要 比 0 大 。 通 常 用 z = ( - 0 ) / 0 來 表 示 紅 移 的 大 小 。 z 稱 為 紅 移 量 。 從 這 種 紅 移 的 特 征 看 ， 它 可 能 是 由 多 普 勒 效 應(yīng) 引 起 的 。 所 謂 多 普 勒 效 應(yīng) 是 指 當(dāng) 光 源 相 對(duì) 于 觀 測(cè) 才有 運(yùn) 動(dòng) 時(shí) ，觀 測(cè) 者 收 到 的 譜 線 波 長(zhǎng) 與 光 源 靜 止 時(shí) 發(fā) 射 的 譜 線 的 波 長(zhǎng) 有 差 別 。舉 個(gè) 例 子 ，一 個(gè) 光 源 A 向著 觀 測(cè) 者 運(yùn) 動(dòng) ，另 一 個(gè) 光 源 B 遠(yuǎn) 離 觀 測(cè) 者 運(yùn) 動(dòng) 。如 果 兩 個(gè) 光 源 A 和 B 本 身

9、發(fā) 射 相 同 波 長(zhǎng) 的 光 ，波 長(zhǎng) 是 0 ， 那 么 觀 測(cè) 者 收 到 的 光 ， 波 長(zhǎng) 都 不 相 同 。 他 看 到 A 光 源 的 波 長(zhǎng) A 要 比 0 小 ， 而 B 光 源 的 波 長(zhǎng) B 要 比 0 大 。 通 常 稱 A 光 源 的 波 長(zhǎng) 紫 移 了 ， 而 B 光 源 的 波 長(zhǎng) 紅 移 了 。 相 對(duì) 速 度 越 大 ， 紅 移 或 紫 移越 厲 害 。 采 用 多 普 勒 效 應(yīng) 的 機(jī) 制 來 解 釋 河 外 星 系 的 紅 移 ， 那 就 表 示 河 外 星 系 正 在 遠(yuǎn) 離 我 們 。 哈 勃 還 發(fā) 現(xiàn) ，河 外 星 系 紅 移 量 的 大 小 同

10、 其 距 離 有 關(guān) 。距 離 越 近 的 星 系 紅 移 量 越 小 ，距 離 越 遠(yuǎn) 的 星 系 紅 移 量 越 大 。這個(gè) 性 質(zhì) 通 常 叫 做 哈 勃 關(guān) 系 。它 是 表 示 越 遠(yuǎn) 的 星 系 遠(yuǎn) 離 我 們 的 速 度 也 越 大 。這 一 切 都 符 合 膨 脹 宇 宙 的 預(yù)言 。 哈 勃 研 究 的 星 系 ，紅 移 量 還 都 比 較 小 。都 在 z 0.0 03 的 范 圍 。哈 勃 之 后 的 幾 十 年 來 ，已 經(jīng) 發(fā) 現(xiàn) 了許 多 大 紅 移 的 星 系 。 在 目 前 已 知 星 系 中 最 大 紅 移 已 經(jīng) 達(dá) 到 z 1。 在 這 樣 大 的 范 圍

11、 中 哈 勃 關(guān) 系 仍 然 成 立 。至 今 觀 測(cè) 的 結(jié) 果 都 符 合 膨 脹 模 型 的 預(yù) 言 。 海流測(cè)量是海洋調(diào)查的重要內(nèi)容 60 年代初期，美國(guó)科學(xué)家研制出聲學(xué)海流計(jì)，它是根據(jù)聲學(xué)多普勒原理制成的測(cè)流儀器，其工作原理是通過測(cè)量聲波在流動(dòng)液體中的多普勒效應(yīng)來測(cè)量海流。用它可以測(cè)量海流的深度剖面，可以測(cè)得湍流和弱流，還能在航行中連續(xù)同時(shí)測(cè)量多層海流而且精度高。 n多普勒式測(cè)量原理n 多普勒式采用兩個(gè)換能器，一個(gè)發(fā)射，一個(gè)接收，進(jìn)行流體測(cè)量。發(fā)射換能器以某特定頻率向流體中發(fā)射一個(gè)聲波信號(hào)，經(jīng)流體中的固體顆?；驓馀莘瓷浜?，由接收換能器檢測(cè)到。流量計(jì)進(jìn)行比較發(fā)射和接收的頻率，并計(jì)算出頻

12、率的變化。該頻率的變化與流體的流速成比例關(guān)系，由多普勒效應(yīng)可得之。多普勒效應(yīng)在科學(xué)技術(shù)中有廣泛的應(yīng)用交通警向行進(jìn)中的車輛發(fā)射頻率已知的電磁波，通常是紅外線，同時(shí)測(cè)量反射波的頻率，根據(jù)反射波頻率變化的多少就能知道車輛的速度裝有多普勒測(cè)速儀的警車有時(shí)就停在公路旁，在測(cè)速的同時(shí)把車輛牌號(hào)拍攝下來，并把測(cè)得的速度自動(dòng)打印在照片上 宇宙中的星球都在不停地運(yùn)動(dòng)測(cè)量星球上某些元素發(fā)出的光波的頻率，然后跟地球上這些元素靜止時(shí)發(fā)光的頻率對(duì)照，就可以算出星球靠近或遠(yuǎn)離我們的速度 醫(yī)生向人體內(nèi)發(fā)射頻率已知的超聲波，超聲波被血管中的血流反射后又被儀器接收，測(cè)出反射波的頻率變化，就能知道血流的速度這種方法俗稱“彩超”，

13、可以檢查心臟、大腦和眼底血管的病變 意大利國(guó)家生物天文學(xué)計(jì)劃協(xié)意大利國(guó)家生物天文學(xué)計(jì)劃協(xié)調(diào)員克里斯蒂亞諾調(diào)員克里斯蒂亞諾科斯莫維奇科斯莫維奇：1997 年 10 月 26 日，在意大利波洛尼亞省梅迪奇納，利用一臺(tái)直徑為 32 米的射電望遠(yuǎn)鏡啟動(dòng)了一項(xiàng)生物天文學(xué)研究計(jì)劃，旨在尋找太陽系外具有含液態(tài)水和大氣層的行星，也就是可能存在生命的行星。繼瑞士的米歇爾梅厄在飛馬座 51 星系發(fā)現(xiàn)第一顆行星后，最近 3 年內(nèi)，由杰夫馬西領(lǐng)導(dǎo)的研究小組又在太陽系外發(fā)現(xiàn)了另外 11 顆行星。不過他們使用的僅僅是間接技術(shù)，即根據(jù)多普勒效應(yīng)的原理，從行星的重力效應(yīng)引起的恒星光譜的移動(dòng)，來發(fā)現(xiàn)圍繞這顆恒星運(yùn)行的巨大行星。

14、而我所提出的建議則是，利用射電望遠(yuǎn)鏡尋找類似彗星同木星相撞時(shí)產(chǎn)生的效應(yīng)。1994 年，休梅克列維彗星的 21 塊碎片同木星相撞，發(fā)生了一場(chǎng)真正的宇宙災(zāi)難。當(dāng)時(shí)這顆彗星在木星的大氣層中釋放了大量的水蒸氣，在高達(dá)10000條件下的這種沖擊引起了微波激射效應(yīng) （一種類似于激光的微波輻射） 。 而架設(shè)在梅迪奇納的射電望遠(yuǎn)鏡，在 22GHz（波長(zhǎng) 1.35 厘米）頻率上發(fā)現(xiàn)了這些水蒸氣。因此，人們就聯(lián)想到，就像 40 億年前成群的彗星轟擊太陽系，從而在行星上儲(chǔ)存了產(chǎn)生生命所必須的水和有機(jī)物一樣，銀河系中幾千個(gè)恒星系已經(jīng)發(fā)生或者正在發(fā)生同樣的現(xiàn)象。 人們估計(jì)， 利用梅迪奇納的射電望遠(yuǎn)鏡可以發(fā)現(xiàn)距離我們 5

15、0 光年的星系中進(jìn)行的這種氣體釋放，從而不排除在一些行星的大氣層中發(fā)現(xiàn)水的可能性。 人們選擇已發(fā)現(xiàn)的太陽系外的 5 顆行星和 5 顆棕色矮星（質(zhì)量是太陽質(zhì)量 0.010.08 倍的木星型失敗恒星），作為首批觀測(cè)目標(biāo)。 GPS工作原理 那么，GPS 是如何給地面某一點(diǎn)精確定位的呢？方法有好幾種，以多普勒頻移觀測(cè)法為例，衛(wèi)星上設(shè)有信號(hào)源，在軌道上運(yùn)行時(shí)不斷向地面發(fā)射固定頻率的電磁波，地面 GPS 接收儀可以接收到這種信號(hào)，根據(jù)物理學(xué)多普勒效應(yīng)，當(dāng)波源和觀測(cè)點(diǎn)作相對(duì)運(yùn)動(dòng)，地面接收到的信號(hào)頻率會(huì)發(fā)生改變，和波源發(fā)出的頻率不同。衛(wèi)星從 A 點(diǎn)運(yùn)行到 B 點(diǎn)，地面接收儀能測(cè)到這段時(shí)間衛(wèi)星信號(hào)頻率變化，而這

16、種變化與接收儀所在位置及距離衛(wèi)星的長(zhǎng)度有關(guān)。通過計(jì)算機(jī)可精確計(jì)算 A、B 點(diǎn)分別與接收儀的距離，以及 A、B 點(diǎn)的距離差值，經(jīng)過大地坐標(biāo)換算，很快便可確定 GPS 接收儀所在位置的經(jīng)度、緯度、高度。如果兩次大地定位的坐標(biāo)有變化（即使是微米量級(jí)的變化），都可以判斷地面某一點(diǎn)水平運(yùn)動(dòng)方向、速率以及垂直升降幅度。 雷達(dá)能夠迅速、準(zhǔn)確、細(xì)致地測(cè)定降水區(qū)的位置、范圍、強(qiáng)度、性質(zhì)，以及它們隨時(shí)間的變化情況，它是一種掌握降水動(dòng)態(tài)和提供降水臨近預(yù)報(bào)的有效工具。自 1950 年代以來，天氣雷達(dá)在中尺度天氣研究中發(fā)揮了重要的作用。來自大氣中各種目標(biāo)物的雷達(dá)回波強(qiáng)度、回波形狀的演變，以及與之相聯(lián)系的多普勒速度，都提供了有關(guān)目標(biāo)物本身的信息，以及對(duì)流和中尺度大氣運(yùn)動(dòng)對(duì)該目標(biāo)物作用的信息?，F(xiàn)今使用的 S 波段(10cm)和 C 波段(5cm)天氣雷達(dá)所觀測(cè)到的回波，絕大多數(shù)來自于降水，它能夠隨時(shí)探測(cè)到測(cè)站周圍一定范圍內(nèi)降水的發(fā)生、發(fā)展、消散以及移動(dòng)等情況。多普勒雷達(dá)可以探測(cè)到降水云內(nèi)和晴空大氣中的水平風(fēng)場(chǎng)和垂直風(fēng)場(chǎng)，降水滴譜和大氣湍流等，可以探測(cè)冰雹、龍卷、下?lián)舯┝鞯?。雷達(dá)在天氣預(yù)報(bào)工作中的應(yīng)用主要是，進(jìn)行中尺度天氣分析