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，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)而近時汽笛聲變響，音調(diào)變尖，而火車從近而遠(yuǎn)時汽笛聲變?nèi)?，音調(diào)變低。 他對這個物理現(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運動，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。 因為，聲源相對于觀測者在運動時，觀測者所聽到的聲音會發(fā)生變化。 當(dāng)聲源離觀測者而去時，聲波的波長增加，音調(diào)變得低沉，當(dāng)聲源接近觀測者時，聲波的波長減小，音調(diào)就變高。音調(diào)的變化同聲源與觀測者間的相對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運動時，觀察者接收到的波頻會改變。 他試圖用這個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)這個結(jié)論卻是正確的。多普勒效應(yīng)對雙星的顏色只有些微的影響，在那個時代，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)行實驗。他們讓一些樂手在火車上奏出樂音，請另一些樂手在月臺上寫下火車逐漸接近和離開時聽到的音高。實驗結(jié)果支持多普勒效應(yīng)的存在。,物體輻射的波長因為波源和觀測者的相對運動而產(chǎn)生變化。在運動的波源前面，波被壓縮，波長變得較短，頻

7、率變得較高 （藍(lán)移blue shift）；當(dāng)運動在波源后面時，會產(chǎn)生相反的效應(yīng)。波長變得較長，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，可以計算出波源循著觀測方向運動的速度。 所有波動現(xiàn)象都存在多普勒效應(yīng)。,簡介,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接收頻率變高，而在波源遠(yuǎn)離觀察者時接收頻率變低。當(dāng)觀察者移動時也能得到同樣的結(jié)論。但是由于缺少實驗設(shè)備

8、，多普勒當(dāng)時沒有用實驗驗證。產(chǎn)生原因： 聲源完成一次全振動，向外發(fā)出一個波長的波，頻率表示單位時間內(nèi) 完成的全振動的次數(shù)，因此波源的頻率等于單位時間內(nèi)波源發(fā)出的完全波的個數(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，即單位時間接收到的完全波的個數(shù) 決定的。當(dāng)波源和觀察者有相對運動時，觀察者接收到的頻率會改變。在單位時間內(nèi)，觀察者接收到的完全波的個數(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，觀察者在單位時間內(nèi)接

9、收到的完全波的個數(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，則光線會發(fā)生藍(lán)移。 在移動通信中，當(dāng)移動臺移向基站時，頻率變高，遠(yuǎn)離基站時，頻率變低，所以我們在移動通信中要充

10、分考慮多普勒效應(yīng)。當(dāng)然，由于日常生活中，我們移動速度的局限，不可能會帶來十分大的頻率偏移，但是這不可否認(rèn)地會給移動通信帶來影響，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，也加大了移動通信的復(fù)雜性。,光波中的多普勒效應(yīng),具有波動性的光也會出現(xiàn)這種效應(yīng)，它又被稱多普勒-斐索效應(yīng)。 法國物理學(xué)家斐索（1819~1896年）于1848年獨立地對來自恒星的波長偏移做了解釋，指出了利用這種效應(yīng)測量恒星

11、相對速度的辦法。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，稱為紅移；如果恒星朝向我們運動，光的譜線就向紫光方向移動，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）之間有相對運動時，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)行多普勒信號處理，把自相關(guān)技術(shù)獲得的血流信號經(jīng)彩色編碼后實時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，又同時提供了血流動力學(xué)的豐富信息，實際應(yīng)用受到了廣泛的重視和歡迎，在臨床上被譽為“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空掃描時， 如遇到活動目標(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，可測出目標(biāo)對雷達(dá)的徑向相對運動速度；根據(jù)發(fā)射脈沖和接收的時間差，可以測出目標(biāo)的距離。 同時用頻率過濾方法檢測目標(biāo)的多普勒頻率譜線，濾除干擾雜波的譜線，可使雷達(dá)從強雜波中分辨出目標(biāo)信號。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，能探測出隱蔽在背景中的活動目標(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測

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。裝有多普勒測速儀的監(jiān)視器有時就裝在路的上方，在測速的同時把車輛牌號拍攝下來，并把測得的速度自動打印在照片上。注：激光多普勒測速儀 激光多普勒測速儀(Laser Doppler Anemometry, LDA)是激光多普勒測速儀測量通過激光探頭的示蹤粒子的多普勒信號，再根據(jù)速度與多普勒頻率的關(guān)系得到速度。由于是激光測量，對于流場沒有干擾