物理學(xué)應(yīng)用介紹效應(yīng)及

多普勒效應(yīng)及應(yīng)用

奧地利物理學(xué)家,他于1842年第一次論證了相互轉(zhuǎn)動(dòng)的雙星系統(tǒng)所發(fā)射的光的頻率的微小變化，繼而又討論了聲源與觀察者之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，觀察者所接收的聲波頻率的變化.C.DOppler，1803—1853多普勒

如果波源或觀察者或兩者都相對(duì)于介質(zhì)運(yùn)動(dòng),那么觀察者接收到的頻率與波源發(fā)出的頻率就不相同.這種現(xiàn)象叫做多普勒效應(yīng).多普勒效應(yīng)最常見的實(shí)例：當(dāng)火車通過時(shí)汽笛聲的變化.一波源不動(dòng),觀察者相對(duì)介質(zhì)以速度

運(yùn)動(dòng)觀察者向著波源運(yùn)動(dòng)時(shí)波速:,

內(nèi)波傳播的距離:SP

如圖,一觀察者在點(diǎn)P

向著波源S運(yùn)動(dòng),速度為

,

則時(shí)間內(nèi)觀察者移動(dòng)的距離為

在

距離內(nèi)的波都被觀察者所接收又為介質(zhì)中的波長(zhǎng)：即SP觀察者遠(yuǎn)離波源運(yùn)動(dòng)時(shí)

當(dāng)觀察者向著靜止波源運(yùn)動(dòng)時(shí)，觀察者接收到的聲波頻率

高于.SP

設(shè)觀察者在點(diǎn)P

遠(yuǎn)離波源S運(yùn)動(dòng),速度仍為

,則時(shí)間內(nèi)觀察者移動(dòng)的距離為SP

觀察者接收到了在

距離內(nèi)的波又

即

當(dāng)觀察者遠(yuǎn)離靜止波源運(yùn)動(dòng)時(shí)，觀察者接收到的聲波頻率

低于

.二觀察者不動(dòng),波源相對(duì)介質(zhì)以速度

運(yùn)動(dòng)波源向著觀察者A運(yùn)動(dòng)時(shí)波速：波長(zhǎng)：A波源向A運(yùn)動(dòng)速度

，一周期T內(nèi)波源移動(dòng)被觀察者接收到的介質(zhì)中的波長(zhǎng)為：

當(dāng)波源向著靜止的觀察者運(yùn)動(dòng)時(shí)，觀察者接收到的聲波頻率高于波源的頻率.介質(zhì)中的頻率為：即A波源遠(yuǎn)離觀察者運(yùn)動(dòng)時(shí)

如果波源遠(yuǎn)離觀察者運(yùn)動(dòng)，觀察者接收到的聲波頻率低于波源的頻率.Au通過類似分析,可知

即

例一輛救護(hù)車以25m·s-1的速度在靜止的空氣中行駛，假設(shè)車上鳴笛的頻率為800Hz，求：靜止站在路邊的人聽到救護(hù)車駛近和離去時(shí)的鳴笛聲波的頻率.（設(shè)空氣中聲速330m·s-1.）救護(hù)車駛近時(shí)，運(yùn)用公式：解得:當(dāng)救護(hù)車離去時(shí)思考題：波源向著觀察者運(yùn)動(dòng)和觀察者向著波源運(yùn)動(dòng)，都會(huì)產(chǎn)生頻率增高的多普勒效應(yīng).同樣，遠(yuǎn)離時(shí)都會(huì)產(chǎn)生頻率降低的多普勒效應(yīng)，這兩種情況有何區(qū)別?所以，兩者同時(shí)相對(duì)介質(zhì)運(yùn)動(dòng)時(shí)三波源和觀察者同時(shí)相對(duì)介質(zhì)運(yùn)動(dòng)已知：波源靜止，觀察者運(yùn)動(dòng)觀察者靜止，波源運(yùn)動(dòng)注：正負(fù)號(hào)的取舍與前面相同則

則

由上可知，不論是波源運(yùn)動(dòng)，還是觀察者運(yùn)動(dòng)，或是兩者同時(shí)運(yùn)動(dòng)，定性地說，只要兩者互相接近，接收到的頻率就高于原來波源的頻率；兩者互相遠(yuǎn)離，接收到的頻率就低于原來波源的頻率.這個(gè)圓錐面上，波的能量已被高度集中，容易造成巨大的破壞，這種波稱為沖擊波或激波.

如果波源向著觀察者運(yùn)動(dòng)的速度大于波速(即

)，那么在這種情況下，急速運(yùn)動(dòng)著的波源前方不可能有任何波動(dòng)產(chǎn)生，所有波前將被積壓而聚集在一圓錐面上，如圖應(yīng)用之一：多普勒聲納

艦艇、油輪、貨船行駛在浩瀚無垠的大海上，如何準(zhǔn)確的沿著既定的目標(biāo)前進(jìn)呢？多普勒聲納可以提供這種幫助.

多普勒聲納是根據(jù)多普勒效應(yīng)研制的一種利用水下聲波來測(cè)速和計(jì)程的精密儀器.

多普勒聲納一般安裝在船體底部，由一個(gè)發(fā)射器和一個(gè)接收器組成，如圖中O

點(diǎn).

此時(shí)，船上接收器接收到的頻率為：

PO船底a多普勒聲納原理簡(jiǎn)介

一般還在同一位置安裝一對(duì)向后的發(fā)射器和接收器，此時(shí)它收到的頻率為：

PO船底a由此可得：

當(dāng)

應(yīng)用之二：多普勒超聲診斷探頭皮膚聲靶

我們以心臟病中的二尖瓣狹窄為例，說明其診斷原理.利用超聲波的多普勒效應(yīng)可以測(cè)定血流的速度，如果發(fā)現(xiàn)明顯的血流異常，則可以診斷二尖瓣狹窄，確定異常血流的深度.

光也存在多普勒效應(yīng)，但是涉及狹義相對(duì)論的相對(duì)性原理和光速不變?cè)?，較復(fù)雜.在此我們僅作簡(jiǎn)單介紹.由相對(duì)論可得：注意：以上兩公式對(duì)電磁波同樣適用。波源背離觀測(cè)者運(yùn)動(dòng)，有

波源朝著觀測(cè)者運(yùn)動(dòng)，有

其中為波源的速度1848年，法國(guó)物理學(xué)家斐索指出，注意譜線的位置能夠取得觀測(cè)光的多普勒效應(yīng)的最佳效果.因此，人們把光的多普勒效應(yīng)稱為多普勒-斐索效應(yīng).應(yīng)用之三：光譜線的紅移——宇宙膨脹學(xué)說的理論基礎(chǔ)多普勒-斐索效應(yīng)應(yīng)用之四：監(jiān)測(cè)車輛的速度（電磁波的多普勒效應(yīng)）

公路上用于監(jiān)測(cè)車輛速度的監(jiān)測(cè)器，由微波雷達(dá)發(fā)射器、探測(cè)器及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)等組成.

可以設(shè)想，當(dāng)監(jiān)測(cè)雷達(dá)發(fā)射頻率為

的微波被速度向其運(yùn)動(dòng)的車輛所接收后，微波頻率變化為，即

然后，微波從運(yùn)動(dòng)的汽車上被反射回去.從監(jiān)測(cè)器處所測(cè)得的反射波的頻率為，即所以，頻率差為

如根據(jù)交通管理?xiàng)l例對(duì)汽車最高速率限制為，那么拍頻的最大值

是：應(yīng)用之五：預(yù)測(cè)天氣的雷達(dá)——多普勒雷達(dá)、尼克斯雷達(dá)（電磁波的多普勒效應(yīng)）

尼克斯雷達(dá)是采用多普勒效應(yīng)對(duì)風(fēng)、雨、雪