多普勒效应知多少.docx

多普勒效应知多少 张建兵 赵敏（同济大学物理实践工作站）人们往往有这样的生活经验，一列火车向我们快速驶来，我们耳朵感觉到的火车鸣笛声音要比火车实际的鸣笛音调高，亦即频率值变大；而当火车渐渐离我们远去时，我们耳朵感觉到的鸣笛声音要比火车实际的鸣笛音调低，亦即频率值变小。这个有趣的物理现象是由于多普勒效应所致。多普勒效应的物理现象，最早由奥地利物理学家及数学家克里斯琴约翰多普勒于1842年发现。随后，荷兰气象学家拜斯巴洛特也观察到了这一现象，他让一队喇叭手站在一辆疾驶而过的敞篷火车上吹奏，在站台上的他很明显地检测到了音调的改变。那么，究竟什么是多普勒效应呢？多普勒效应的原理如果将鸣笛的火车称为声源，人称为观测者，所谓多普勒效应，就是当声源与观测者发生相对运动时，观测者接收到的声波频率与声源实际发出的声波频率不同的现象。最初多普勒效应只是在声波中被发现，但随着物理学的发展，逐渐在其他类型的波中，如电磁波、光波中也发现了多普勒效应。更进一步地分析，可以将此现象分为三种情况：一是观测者静止，声源相对于空气介质运动；二是声源静止，观测者相对于空气介质运动；三是声源和观测者同时相对于空气介质运动。在上述三种情况下，观测者听到的声音频率都会发生变化。以第一种情况为例，设空气介质中的声波波速为，声源的振动频率为，观察者接收到的频率为。当声源以速度向着静止的观察者运动时，它发出的声波波面不再是同心圆，而是不断向着观测者推进，如图1所示。图1 观察者静止，声源向着观察者运动时，它发出的声波波面不再同心，而是不断向着观察者推进这时，向着观测者一侧的波被挤压，波长变短。由于在一个周期内，声源向观察者运动了的距离，所以在观察者看来，声波波长被压缩为（是波源相对空气介质不动时的波长）。于是，观测者耳朵接收到的声波频率为这表明，当声源向着观测者运动时，观测者接收到的频率高于声源频率。而当波源远离观测者运动时，由于为负，因此观测者接收到的频率低于声源频率。快速列车驶向我们时，汽笛声的音调变高，而离我们远去时汽笛声的音调变低，就是基于这个原理。再来说一下声源。当多普勒效应产生的时候，声源频率是否也改变了呢？当然没有。显而易见，如果我们不人为地调节改变声源频率,那么即使声源处于运动状态,其频率也是不会变化的。设想在刚才的火车上坐着一个人，他听到的声音音调是不会因为火车运动而发生变化的。多普勒效应的应用多普勒效应在现代科技和生活中有很多应用。多普勒车速测量系统：多普勒机动车超速自动检测系统，能够对机动车辆行驶速度进行实时、自动测量，并自动记录车辆行驶时的速度值、车辆图像、日期、时间、地点等相关信息作为执法证明。它的出现，极大地缓解了当前交通管理中警力调配不足的问题，在一定程度上遏制了超速事故的发生。机动车自动检测系统进行测速的原理，就是基于多普勒效应。多普勒车速检测系统向行进中的车辆发射频率已知的超声波，然后测量经车辆反射折回的反射波频率，根据反射波频率的变化，对应多普勒效应公式，就可以计算出车辆的速度。图2 多普勒测速仪检测车速原理多普勒超声诊断：多普勒效应在医学领域最为广泛的应用即为彩超技术。其实彩超并非看到了人体组织真正的颜色，而是在黑白B超图像的基础上，加上以多普勒效应为基础的“伪彩”而形成的。利用多普勒效应，使我们能判定超声图像中血液的流动方向、以及流速的大小和性质，根据血液的流动方向及速度设计色彩，再将这种色彩叠加在二维黑白超声图像上，就形成了我们今天见到的彩超图像。图3 三维彩超图宇宙膨胀中的多普勒效应：前面说过，多普勒效应不仅适用于声波，也适用于所有类型的波，包括电磁波。20世纪20年代，美国天文学家斯莱弗在研究远处的漩涡星云发出的光谱时，首先发现了银河系中遥远天体发射的光线频率变低的现象，即光线频率移向光谱的红光端，称为红移。这说明这些天体在远离银河系，并且天体离开银河系的速度越快，红移越大。斯莱弗通过上述远离，推断漩涡星云正快速远离地球而去。