多普勒效应的广泛应用.doc

大学生物理论文及物理科技制作竞赛 多普勒效应的广泛应用闫迎州（21710111）（东南大学 交通学院）摘 要： 自1842年奥地利物理学家及数学家克里斯琴约翰多普勒（Christian Johann Doppler）首先提出这一理论以来，多普勒效应理论已经过了170个年头。从当年从声波中不经意的发现到如今涉及声波、光波各个领域的广泛应用，经过百多年来科学家及各行各业工作者的努力，多普勒效应的应用迎来了繁荣的春天。关键词： 多普勒效应、多领域、应用 引言：多普勒效应揭示了波在传播过程中由于声源和接收点相对运动所产生的所接收波频率、波长改变的现象，在测距、移动通信，宇宙爆炸理论等领域中，对多普勒效应的研究有着其特有的地位和重要的意义。本文重点介绍了多普勒效应的基本原理、使用领域以及当前各个领域中的广泛应用。多普勒效应的基本原理多普勒效应最基本的原理指出，波在波源移向观察者时接收频率变高，而在波源远离观察者时接收频率变低。假设原有波源的波长为，波速为c，观察者移动速度为v：当观察者走近波源时观察到的波源频率为（c+v）/，如果观察者远离波源，则观察到的波源频率为（c-v）/。一个常被使用的例子是火车的汽笛声，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。如果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时更接近你自己。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。产生这样的原因为：声源完成一次全振动，向外发出一个波长的波，频率表示单位时间内完成的全振动的次数，因此波源的频率等于单位时间内波源发出的完全波的个数，而观察者听到的声音的音调，是由观察者接受到的频率，即单位时间接收到的完全波的个数决定的。当波源和观察者有相对运动时，观察者接收到的频率会改变在单位时间内，观察者接收到的完全波的个数增多，即接收到的频率增大同样的道理，当观察者远离波源，观察者在单位时间内接收到的完全波的个数减少，即接收到的频率减小。适用领域近年来的研究表明，多普勒效应不仅仅适用于声波,它适用于所有类型的波，包括光波等电磁波。类似于声波的多普勒效应，光波也有类似的性质。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，这种频率越低，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4.741014赫兹，而汞灯的紫色对应的频率则在71014赫兹以上。科学家爱德文哈勃（Edwin Hubble）就曾使用电磁波多普勒效应得出宇宙正在膨胀的结论。他发现远离银河系的天体发射的光线频率变低,即移向光谱的红端，称为红移，天体离开银河系的速度越快红移越大，这说明这些天体在远离银河系。反之，如果天体正移向银河系，则光线会发生蓝移，即上述的原理。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，就必须要充分考虑多普勒效应所带来的影响。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。由此也可以看出多普勒效应的适用范围之广。实际应用1.1 医学应用声波的多普勒效应也可以用于医学的诊断，也就是我们平常说的彩超。彩色多普勒超声一般是用自相关技术进行多普勒信号处理，把自相关技术获得的血流信号经彩色编码后实时地叠加在二维图像上，即形成彩色多普勒超声血流图像。由此得到的彩超图像既具有二维超声结构图像的优点，又同时提供了血流动力学的丰富信息，实际应用受到了广泛的重视和欢迎，在临床上被广泛采用，也因此被誉为“非创伤性血管造影”。1.2 交通应用利用多普勒效应制成的交通测距仪在交通领域中可谓大显身手。交通警向行进中的车辆发射频率已知的超声波同时测量反射波的频率，根据反射波的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监视器有时就装在路的上方，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。它的测速原理可简化为以下模型。假定这种情景:一平直公路放置一测速仪,远方式来一辆车,其速度为v,测速仪发射一列电磁波,其频率为f,在极短时间后收到一频率为f的反射波.现在需要由f,f求v.由于发出的为电磁波,经典运动理论下的多普勒公式已远远不够.再次我们避开四维坐标,用洛仑兹变换与狭义相对论来推导相对论下的多普勒效应.令静止参考系为K系,运动参考系为K系则有 , 而由洛仑兹变换知: 联立得:联立, 其中逆运算,得: 而对电磁波由能量与动量关系式可得,(电磁波无静能)联式由于反射过程电磁波被压缩,且此时测速仪与车在同一方向= 0式变为 其中v矢量,如图若c与v反向即迎车面而测量同理,若如图(2)(下) c与v同向由此测量f,f即可求得v1.3 其他应用除了上述应用之外，航海领域的多普勒声纳，天气预测中的多普勒雷达（尼克斯雷达）等等都是多普勒效应的实际应用，在像环保工程，科学实验中也都扮演着重要的角色。结语经过100多年的研究，对于多普勒效应的研究所带来的成果已经大大超出了人们当初的预计。它的适用领域之广，应用价值之大也许远不止这些。科学研究的魅力往往正在于此，总是给人出乎预料的收获。对于多普勒效应