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摘 要:多普勒效应不仅仅适用于声波,它也适用于所有类型的波,包括光波、电磁波,在现实生活中有广泛的应用。
关键词:声波 光波 电磁波 多普勒效应
中图分类号:G623 文献标识码:A 文章编号:1673-9795(2011)02(c)-0035-01
1 多普勒简介
奥地利物理学家多普勒生于1803年,是萨尔茨堡一名石匠的儿子。父母本来期望他子承父业,可是他自小体弱多病,无法当一名石匠。他们接受了一位数学教授的意见,让多普勒到维也纳理工学院学习数学。多普勒毕业后又回到萨尔茨堡修读哲学课,然后再到维也纳大学学习高级数学、天文学和力学。
毕业后,多普勒留在维也纳大学当了四年教授助理,又当过工厂的会计员,然后到了布拉格一所技术中学任教,同时任布拉格理工学院的兼职讲师。到了1841年,他才正式成为理工学院的数学教授。多普勒是一位严谨的老师。他曾经被学生投诉考试过于严厉而被学校调查。繁重的教务和沉重的压力使多普勒的健康每况愈下,但他的科学成就使他闻名于世。1850年,他获委任为维也纳大学物理学院的第一任院长,可是他在3年后便辞世,年仅49岁。
2 奇特的多普勒效应
著名的多普勒效应首次出现在1842年发表的一篇论文上。1842年,奥地利物理学家多普勒带着女儿在铁道旁散步时就注意到了当波源和观察者有相对运动时,观察者接收到的波的频率会改变。他试图用这个原理来解释双星的颜色变化。虽然多普勒误将光波当作纵波,但多普勒效应这个结论却是正确的。多普勒效应对双星的颜色只有些微的影响,在那个时代,根本没有仪器能够量度出那些变化。不过,从1845年开始,便有人利用声波来进行实验。他们让一些乐手在火车上奏出乐音,请另一些乐手在月台上写下火车逐渐接近和离开时听到的音高。实验结果支持多普勒效应的存在。
他认为声波频率在声源移向观察者时变高,而在声源远离观察者时变低。一个常被使用的例子是火车,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。
为了了解多普勒效应,还可以做这样一个模拟实验。让一队人沿街行走,观察者站在街旁不动,每秒有9个人从他身边通过(图1甲)。这种情况下的“过人频率”是9人／s。如果观察者逆着队伍行走,每秒和观察者相遇的人数增加,也就是频率增加(图1乙);反之,如果观察者顺着队伍行走,频率降低(图1丙)。
3 声波的多普勒效应
对于声波和其他波动,情况相似:当波源和观察者相对静止时,1s内通过观察者的波峰(或密部)的数目是一定的,观察到的频率等于波源振动的频率;当波源和观察者相向运动时,1s内通过观察者的波峰(或密部)的数目增加,观察到的频率增加;反之,当波源和观察者互相远离时,观察到的频率变小。
在日常生活中,我们都会有这种经验:当一列鸣着汽笛的火车经过某观察者时,他会发现火车汽笛的声调由高变低。为什么会发生这种现象呢？这是因为声调的高低是由声波振动频率的不同决定的,如果频率高,声调听起来就高;反之声调听起来就低。
为了理解这一现象,就需要考察火车以恒定速度驶近时,汽笛发出的声波在传播时的规律。其结果是声波的波长缩短,好象波被压缩了。因此,在一定时间间隔内传播的波数就增加了,这就是观察者为什么会感受到声调变高的原因;相反,当火车驶向远方时,声波的波长变大,好象波被拉伸了。因此,声音听起来就显得低沉。
定量分析得到,其中为波源相对于介质的速度,为观察者相对于介质的速度,表示波源的固有频率,表示波在静止介质中的传播速度。当观察者朝波源运动时,取正号;当观察者背离波源(即顺着波源)运动时,取负号。当波源朝观察者运动时前面取负号;前波源背离观察者运动时取正号。从上式易知,当观察者与声源相互靠近时,;当观察者与声源相互远离时,。
4 光波(包括电磁波)的多普勒效应
4.1 光波的多普勒效应
多普勒效应不仅仅适用于声波,它也适用于所有类型的波,包括光波、电磁波。科学家Edwin Hubble使用多普勒效应得出宇宙正在膨胀的结论。
他发现远处银河系的光线频率在变高,即移向光谱的红端。这就是红色多普勒频移,或称红移。若银河系正移向他,光线就成为蓝移。
具有波动性的光也会出现这种效应,也被称为多普勒-斐索效应。因为法国物理学家斐索(1819～1896)于1848年独立地对来自恒星的波长偏移做了解释,指出了利用这种效应测量恒星相对速度的办法。光波与声波的不同之处在于,光波频率的变化使人感觉到是颜色的变化。如果恒星远离我们而去,则光的谱线就向红光方向移动,称为红移;如果恒星朝向我们运动,光的谱线就向紫光方向移动,称为蓝移。
4.2 电磁波的多普勒效应
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,所以我们在移动通信中要充分考虑“多普勒效应”。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,但在卫星移动通信中,当飞机移向卫星时,频率变高,远离卫星时,频率变低,而且由于飞机的速度十分快,所以我们在卫星移动通信中要充分考虑“多普勒效应”。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。也加大了移动通信的复杂性。
5 多普勒效应的广泛应用
5.1 雷达测速仪
检查机动车速度的雷达测速仪也是利用这种多普勒效应。交通警向行进中的车辆发射频率已知的电磁波,通常是红外线,同时测量反射波的频率,根据反射波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警车有时就停在公路旁,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。
5.2 多普勒效应在医学上的应用
(1)在临床上,多普勒效应的应用也不断增多,近年来迅速发展起超声脉冲Doppler检查仪,当声源或反射界面移动时,比如当红细胞流经心脏大血管时,从其表面散射的声音频率发生改变,由这种频率偏移可以知道血流的方向和速度,如红细胞朝向探头时,根据Doppler原理,反射的声频则提高,如红细胞离开探头时,反射的声频则降低。
(2)多普勒超声。应用多普勒效应原理,当探头和反射体之间有相对运动时,回声的频率有所改变(称为频移),距离变近则频率增加,距离变远则频率减少,其差额可以通过检波器检出,用不同类型的仪器可以显示出多普勒信号音和多普勒曲线图,用脉冲多普勒可获得多普超声频普图,可以观察血流的方向和速度。
比如现可以施行的医科学技术有:多普勒超声听诊法;多普勒超声频普诊断法与彩色多普勒超声;经颅多普勒超声诊断法TCD;彩色多普勒血流成像法;彩色多普勒血流成像法;彩色多普勒能量图法CDE等。
关键词:声波 光波 电磁波 多普勒效应
中图分类号:G623 文献标识码:A 文章编号:1673-9795(2011)02(c)-0035-01
1 多普勒简介
奥地利物理学家多普勒生于1803年,是萨尔茨堡一名石匠的儿子。父母本来期望他子承父业,可是他自小体弱多病,无法当一名石匠。他们接受了一位数学教授的意见,让多普勒到维也纳理工学院学习数学。多普勒毕业后又回到萨尔茨堡修读哲学课,然后再到维也纳大学学习高级数学、天文学和力学。
毕业后,多普勒留在维也纳大学当了四年教授助理,又当过工厂的会计员,然后到了布拉格一所技术中学任教,同时任布拉格理工学院的兼职讲师。到了1841年,他才正式成为理工学院的数学教授。多普勒是一位严谨的老师。他曾经被学生投诉考试过于严厉而被学校调查。繁重的教务和沉重的压力使多普勒的健康每况愈下,但他的科学成就使他闻名于世。1850年,他获委任为维也纳大学物理学院的第一任院长,可是他在3年后便辞世,年仅49岁。
2 奇特的多普勒效应
著名的多普勒效应首次出现在1842年发表的一篇论文上。1842年,奥地利物理学家多普勒带着女儿在铁道旁散步时就注意到了当波源和观察者有相对运动时,观察者接收到的波的频率会改变。他试图用这个原理来解释双星的颜色变化。虽然多普勒误将光波当作纵波,但多普勒效应这个结论却是正确的。多普勒效应对双星的颜色只有些微的影响,在那个时代,根本没有仪器能够量度出那些变化。不过,从1845年开始,便有人利用声波来进行实验。他们让一些乐手在火车上奏出乐音,请另一些乐手在月台上写下火车逐渐接近和离开时听到的音高。实验结果支持多普勒效应的存在。
他认为声波频率在声源移向观察者时变高,而在声源远离观察者时变低。一个常被使用的例子是火车,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。
为了了解多普勒效应,还可以做这样一个模拟实验。让一队人沿街行走,观察者站在街旁不动,每秒有9个人从他身边通过(图1甲)。这种情况下的“过人频率”是9人／s。如果观察者逆着队伍行走,每秒和观察者相遇的人数增加,也就是频率增加(图1乙);反之,如果观察者顺着队伍行走,频率降低(图1丙)。
3 声波的多普勒效应
对于声波和其他波动,情况相似:当波源和观察者相对静止时,1s内通过观察者的波峰(或密部)的数目是一定的,观察到的频率等于波源振动的频率;当波源和观察者相向运动时,1s内通过观察者的波峰(或密部)的数目增加,观察到的频率增加;反之,当波源和观察者互相远离时,观察到的频率变小。
在日常生活中,我们都会有这种经验:当一列鸣着汽笛的火车经过某观察者时,他会发现火车汽笛的声调由高变低。为什么会发生这种现象呢？这是因为声调的高低是由声波振动频率的不同决定的,如果频率高,声调听起来就高;反之声调听起来就低。
为了理解这一现象,就需要考察火车以恒定速度驶近时,汽笛发出的声波在传播时的规律。其结果是声波的波长缩短,好象波被压缩了。因此,在一定时间间隔内传播的波数就增加了,这就是观察者为什么会感受到声调变高的原因;相反,当火车驶向远方时,声波的波长变大,好象波被拉伸了。因此,声音听起来就显得低沉。
定量分析得到,其中为波源相对于介质的速度,为观察者相对于介质的速度,表示波源的固有频率,表示波在静止介质中的传播速度。当观察者朝波源运动时,取正号;当观察者背离波源(即顺着波源)运动时,取负号。当波源朝观察者运动时前面取负号;前波源背离观察者运动时取正号。从上式易知,当观察者与声源相互靠近时,;当观察者与声源相互远离时,。
4 光波(包括电磁波)的多普勒效应
4.1 光波的多普勒效应
多普勒效应不仅仅适用于声波,它也适用于所有类型的波,包括光波、电磁波。科学家Edwin Hubble使用多普勒效应得出宇宙正在膨胀的结论。
他发现远处银河系的光线频率在变高,即移向光谱的红端。这就是红色多普勒频移,或称红移。若银河系正移向他,光线就成为蓝移。
具有波动性的光也会出现这种效应,也被称为多普勒-斐索效应。因为法国物理学家斐索(1819～1896)于1848年独立地对来自恒星的波长偏移做了解释,指出了利用这种效应测量恒星相对速度的办法。光波与声波的不同之处在于,光波频率的变化使人感觉到是颜色的变化。如果恒星远离我们而去,则光的谱线就向红光方向移动,称为红移;如果恒星朝向我们运动,光的谱线就向紫光方向移动,称为蓝移。
4.2 电磁波的多普勒效应
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,所以我们在移动通信中要充分考虑“多普勒效应”。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,但在卫星移动通信中,当飞机移向卫星时,频率变高,远离卫星时,频率变低,而且由于飞机的速度十分快,所以我们在卫星移动通信中要充分考虑“多普勒效应”。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。也加大了移动通信的复杂性。
5 多普勒效应的广泛应用
5.1 雷达测速仪
检查机动车速度的雷达测速仪也是利用这种多普勒效应。交通警向行进中的车辆发射频率已知的电磁波,通常是红外线,同时测量反射波的频率,根据反射波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警车有时就停在公路旁,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。
5.2 多普勒效应在医学上的应用
(1)在临床上,多普勒效应的应用也不断增多,近年来迅速发展起超声脉冲Doppler检查仪,当声源或反射界面移动时,比如当红细胞流经心脏大血管时,从其表面散射的声音频率发生改变,由这种频率偏移可以知道血流的方向和速度,如红细胞朝向探头时,根据Doppler原理,反射的声频则提高,如红细胞离开探头时,反射的声频则降低。
(2)多普勒超声。应用多普勒效应原理,当探头和反射体之间有相对运动时,回声的频率有所改变(称为频移),距离变近则频率增加,距离变远则频率减少,其差额可以通过检波器检出,用不同类型的仪器可以显示出多普勒信号音和多普勒曲线图,用脉冲多普勒可获得多普超声频普图,可以观察血流的方向和速度。
比如现可以施行的医科学技术有:多普勒超声听诊法;多普勒超声频普诊断法与彩色多普勒超声;经颅多普勒超声诊断法TCD;彩色多普勒血流成像法;彩色多普勒血流成像法;彩色多普勒能量图法CDE等。