大學(xué)物理之多普勒效應(yīng)

1、多普勒效應(yīng)Doppler effect,斯琴·約翰·多普勒（Christian Johann Doppler）,1803年11月29日，多普勒出生于奧地利的薩爾茨 堡 (Salzburg)。 1822 年他開始在維也納工學(xué)院學(xué)習(xí)，他在數(shù)學(xué)方 面顯示出超常的水平。1825 年多普勒以優(yōu)異的

2、 成績(jī)畢業(yè)。在這之后他又去維也納大學(xué)學(xué)習(xí)了高 等數(shù)學(xué)，力學(xué)和天文學(xué)。 1829 年在維也納大學(xué)學(xué)習(xí)結(jié)束的時(shí)候，他被任命 為高等數(shù)學(xué)和力學(xué)教授助理，他在大學(xué)四年期間發(fā) 表了四篇數(shù)學(xué)論文。1841年，他正式成為理工學(xué)院 的數(shù)學(xué)教授。 1842年，他在文章 "On the Co

3、lored Light ofDouble Stars" 提出“多普勒效應(yīng)”(Doppler Effect)，因 而聞名于世。 1850年，他獲委任為維也納大學(xué)物理學(xué)院的 第一任院長(zhǎng)，可惜的是三年后他便在在意

4、 大利威尼斯去世，年僅四十九歲。,多普勒效應(yīng)的發(fā)現(xiàn),1842年奧地利一位名叫多普勒的數(shù)學(xué)家、物理學(xué)家。一天，他正路過鐵路交叉處，恰逢一列火車從他身旁馳過，他發(fā)現(xiàn)火車從遠(yuǎn)而近時(shí)汽笛聲變響，音調(diào)變尖，而火車從近而遠(yuǎn)時(shí)汽笛聲變?nèi)?，音調(diào)變低。 他對(duì)這個(gè)物理現(xiàn)象感到極大興趣，并進(jìn)行了研究。發(fā)現(xiàn)這是由于振源與觀察者之間存在著相對(duì)運(yùn)動(dòng)，使觀察者聽到的聲音頻率不同于振源頻率的

5、現(xiàn)象。這就是頻移現(xiàn)象。 因?yàn)椋曉聪鄬?duì)于觀測(cè)者在運(yùn)動(dòng)時(shí)，觀測(cè)者所聽到的聲音會(huì)發(fā)生變化。 當(dāng)聲源離觀測(cè)者而去時(shí)，聲波的波長(zhǎng)增加，音調(diào)變得低沉，當(dāng)聲源接近觀測(cè)者時(shí)，聲波的波長(zhǎng)減小，音調(diào)就變高。音調(diào)的變化同聲源與觀測(cè)者間的相對(duì)速度和聲速的比值有關(guān)。這一比值越大，改變就越顯著，后人把它稱為“多普勒效應(yīng)”。,,多普勒推導(dǎo)出當(dāng)波源和觀察者有相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，觀察者接收到的波頻會(huì)改變。 他試圖用這個(gè)原理來解釋雙星的顏

6、色變化。雖然多普勒誤將光波當(dāng)作縱波，但多普勒效應(yīng)這個(gè)結(jié)論卻是正確的。多普勒效應(yīng)對(duì)雙星的顏色只有些微的影響，在那個(gè)時(shí)代，根本沒有儀器能夠量度出那些變化。 不過，從1845年開始，便有人利用聲波來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。他們讓一些樂手在火車上奏出樂音，請(qǐng)另一些樂手在月臺(tái)上寫下火車逐漸接近和離開時(shí)聽到的音高。實(shí)驗(yàn)結(jié)果支持多普勒效應(yīng)的存在。,物體輻射的波長(zhǎng)因?yàn)椴ㄔ春陀^測(cè)者的相對(duì)運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生變化。在運(yùn)動(dòng)的波源前面，波被壓縮，波長(zhǎng)變得較短，頻

7、率變得較高 （藍(lán)移blue shift）；當(dāng)運(yùn)動(dòng)在波源后面時(shí)，會(huì)產(chǎn)生相反的效應(yīng)。波長(zhǎng)變得較長(zhǎng)，頻率變得較低 （紅移red shift）。波源的速度越高，所產(chǎn)生的效應(yīng)越大。根據(jù)波紅（藍(lán)）移的程度，可以計(jì)算出波源循著觀測(cè)方向運(yùn)動(dòng)的速度。 所有波動(dòng)現(xiàn)象都存在多普勒效應(yīng)。,簡(jiǎn)介,多普勒效應(yīng)的原理,多普勒效應(yīng)指出，波在波源移向觀察者時(shí)接收頻率變高，而在波源遠(yuǎn)離觀察者時(shí)接收頻率變低。當(dāng)觀察者移動(dòng)時(shí)也能得到同樣的結(jié)論。但是由于缺少實(shí)驗(yàn)設(shè)備

8、，多普勒當(dāng)時(shí)沒有用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。產(chǎn)生原因： 聲源完成一次全振動(dòng)，向外發(fā)出一個(gè)波長(zhǎng)的波，頻率表示單位時(shí)間內(nèi) 完成的全振動(dòng)的次數(shù)，因此波源的頻率等于單位時(shí)間內(nèi)波源發(fā)出的完全波的個(gè)數(shù)，而觀察者聽到的聲音的音調(diào)，是由觀察者接受到的頻率，即單位時(shí)間接收到的完全波的個(gè)數(shù) 決定的。當(dāng)波源和觀察者有相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，觀察者接收到的頻率會(huì)改變。在單位時(shí)間內(nèi)，觀察者接收到的完全波的個(gè)數(shù)增多，即接收到的頻率增大。同樣的道理，當(dāng)觀察者遠(yuǎn)離 波源，觀察者在單位時(shí)間內(nèi)接

9、收到的完全波的個(gè)數(shù)減少，即接收到的頻率減小。,電磁波中的多普勒效應(yīng),科學(xué)家愛德文·哈勃（Edwin Hubble）使用多普勒效應(yīng)得出宇宙正在膨脹的結(jié)論。他發(fā)現(xiàn)遠(yuǎn)離銀河系的天體發(fā)射的光線頻率變低,即移向光譜的紅端，稱為紅移，并且天體遠(yuǎn)離銀河系的速度越快，紅移越大。反之，如果天體正移向銀河系，則光線會(huì)發(fā)生藍(lán)移。 在移動(dòng)通信中，當(dāng)移動(dòng)臺(tái)移向基站時(shí)，頻率變高，遠(yuǎn)離基站時(shí)，頻率變低，所以我們?cè)谝苿?dòng)通信中要充

10、分考慮多普勒效應(yīng)。當(dāng)然，由于日常生活中，我們移動(dòng)速度的局限，不可能會(huì)帶來十分大的頻率偏移，但是這不可否認(rèn)地會(huì)給移動(dòng)通信帶來影響，為了避免這種影響造成我們通信中的問題，我們不得不在技術(shù)上加以各種考慮，也加大了移動(dòng)通信的復(fù)雜性。,光波中的多普勒效應(yīng),具有波動(dòng)性的光也會(huì)出現(xiàn)這種效應(yīng)，它又被稱多普勒-斐索效應(yīng)。 法國(guó)物理學(xué)家斐索（1819~1896年）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

11、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。,向左行進(jìn)的波,向右行進(jìn)的波,多普勒效應(yīng)的應(yīng)用,醫(yī)學(xué)應(yīng)用 超聲頻移診斷法，即D超，此法應(yīng)用多普勒效應(yīng)原理，當(dāng)聲源與接收體（即探頭和反射體）之間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，回聲的頻率有所改變，此種頻率的變化稱之為頻移，D超包括脈沖多普勒、連續(xù)多

12、普勒和彩色多普勒血流圖像。 彩色多普勒超聲一般是用自相關(guān)技術(shù)進(jìn)行多普勒信號(hào)處理，把自相關(guān)技術(shù)獲得的血流信號(hào)經(jīng)彩色編碼后實(shí)時(shí)地疊加在二維圖像上，即形成彩色多普勒超聲血流圖像。由此可見，彩色多普勒超聲（即彩超）既具有二維超聲結(jié)構(gòu)圖像的優(yōu)點(diǎn)，又同時(shí)提供了血流動(dòng)力學(xué)的豐富信息，實(shí)際應(yīng)用受到了廣泛的重視和歡迎，在臨床上被譽(yù)為“非創(chuàng)傷性血管造影”。,多普勒雷達(dá) 當(dāng)雷達(dá)發(fā)射一固定頻率的脈沖波對(duì)空掃描時(shí)， 如遇到活動(dòng)目標(biāo)，回波的

13、頻率與發(fā)射波的頻率出現(xiàn)頻率差，稱為多普勒頻率。 根據(jù)多普勒頻率的大小，可測(cè)出目標(biāo)對(duì)雷達(dá)的徑向相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度；根據(jù)發(fā)射脈沖和接收的時(shí)間差，可以測(cè)出目標(biāo)的距離。 同時(shí)用頻率過濾方法檢測(cè)目標(biāo)的多普勒頻率譜線，濾除干擾雜波的譜線，可使雷達(dá)從強(qiáng)雜波中分辨出目標(biāo)信號(hào)。所以脈沖多普勒雷達(dá)比普通雷達(dá)的抗雜波干擾能力強(qiáng)，能探測(cè)出隱蔽在背景中的活動(dòng)目標(biāo)。,多普勒雷達(dá),交通應(yīng)用 交警向行進(jìn)中的車輛發(fā)射頻率已知的超聲波同時(shí)測(cè)

14、量反射波的頻率，根據(jù)反射波的頻率變化的多少就能知道車輛的速度。裝有多普勒測(cè)速儀的監(jiān)視器有時(shí)就裝在路的上方，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。注：激光多普勒測(cè)速儀 激光多普勒測(cè)速儀(Laser Doppler Anemometry, LDA)是激光多普勒測(cè)速儀測(cè)量通過激光探頭的示蹤粒子的多普勒信號(hào)，再根據(jù)速度與多普勒頻率的關(guān)系得到速度。由于是激光測(cè)量，對(duì)于流場(chǎng)沒有干擾