多普勒效应的具体概念

多普勒效应的具体概念
多普勒效应的具体概念

多普勒效应的具体概念
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,这种效率越低,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4.74×1014赫兹,而汞灯的紫色对应的频率则在7×1014赫兹以上.这个原则同样适用于声波：声音的高低的感觉对应于声音对耳朵的鼓膜施加压力的振动频率（高频声音尖厉,低频声音低沉）.
如果波源是固定不动的,不动的接收者所接收的波的振动与波源发射的波的节奏相同：发射频率等于接收频率.如果波源相对于接收者来说是移动的,比如相互远离,那么情况就不一样了.相对于接收者来说,波源产生的两个波峰之间的距离拉长了,因此两上波峰到达接收者所用的时间也变长了.那么到达接收者时频率降低,所感知的颜色向红色移动（如果波源向接收者靠近,情况则相反）.为了让读者对这个效应的影响大小有个概念,在图4中显示了多普勒频移,近似给出了一个正在远离的光源在相对速度变化时所接收到的频率.例如,在上面提到的氦——氖激光的红色谱线,当波源的速度相当于光速的一半时（参见图中所画的虚线）,接收到的频率由4.74×1014赫兹下降到4.74×1014赫兹,这个数值大幅度地降移到红外线的频段.
一、声波的多普勒效应
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.这种现象称为多普勒效应,它是用发现者克里斯蒂安·多普勒（Christian
Doppler,1803-1853）的名字命名的,多普勒是奥地利物理学家和数学家.他于1842年首先发现了这种效应.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f1=（u+v0）
/（u-vs）f ,其中vs为波源相对于介质的速度,v0为观察者相对于介质的速度,f表示波源的固有频率,u表示波
在静止介质中的传播速度.当观察者朝波源运动时,v0取正号；当观察者背离波源（即顺着波源）运动时,v0取负
号.当波源朝观察者运动时vs前面取负号；前波源背离观察者运动时vs取正号.从上式易知,当观察者与声源相互
靠近时,f1＞f ；当观察者与声源相互远离时.f1＜f
二、光波的多普勒效应
具有波动性的光也会出现这种效应,它又被称为多普勒-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.
三、光的多普勒效应的应用
20世纪20年代,美国天文学家斯莱弗在研究远处的旋涡星云发出的光谱时,首先发现了光谱的红移,认识到了
旋涡星云正快速远离地球而去.1929年哈勃根据光普红移总结出著名的哈勃定律：星系的远离速度v与距地球的距离
r成正比,即v=Hr,H为哈勃常数.根据哈勃定律和后来更多天体红移的测定,人们相信宇宙在长时间内一直在膨胀,
物质密度一直在变小.由此推知,宇宙结构在某一时刻前是不存在的,它只能是演化的产物.因而1948年伽莫夫（
G.Gamow）和他的同事们提出大爆炸宇宙模型.20世纪60年代以来,大爆炸宇宙模型逐渐被广泛接受,以致被天文
学家称为宇宙的"标准模型" .
多普勒-斐索效应使人们对距地球任意远的天体的运动的研究成为可能,这只要分析一下接收到的光的频谱就行
了.1868年,英国天文学家W.哈金斯用这种办法测量了天狼星的视向速度（即物体远离我们而去的速度）,得出了
46 km/s的速度值