擺
[拼音]:Duopule xiaoying
[外文]:Doppler effect
觀測者與波源之間有相對運動時,觀測者測得的波頻率與波源發出的波頻率不同的現象。這一普遍物理現象是奧地利物理學家J.C.多普勒在1842年首先發現的。
多普勒效應引起的頻率變化稱為多普勒頻移。多普勒頻移的大小與媒質、波源和觀測者運動的速度有關。
經典多普勒效應
在靜止的媒質中,如觀測者不動,而波源以勻速vS 沿與觀測者的聯線,向觀測者運動,觀測者測得的波頻率為
(1)
式中с是媒質中波傳播的速度,f是波源發出的波的頻率。這個公式指出,測得的波頻率f′與源的波頻率f不同。多普勒頻移為
(2)
即測得的波頻率大於源的波頻率。如波源沿與觀測者聯線相反的方向運動時,v
R
(3)
多普勒頻移為
(4)
測得的波頻率也大於源的波頻率。如觀測者沿與波源聯線相反的方向運動時,vR為負,測得的波頻率小於源的波頻率。
當媒質、波源和觀測者都在運動時,測得的波頻率為
(5)
式中v
M
為媒質沿波源指向觀測者方向的運動速度。如果波源或觀測者的運動速度不沿著兩者的聯線方向,則上面各式中的vR
和vR分別表示波源和觀測者的速度在聯線上的投影。相對論性多普勒效應
在各向同性媒質中,無論什麼參照系,電磁波(包括光波)都以確定的波速с傳播,с是真空中的光速除以媒質的折射率(見狹義相對論)。因此它與聲波的多普勒效應(屬於經典的)有所不同。主要有以下三個方面。
(1)對聲波,源運動引起的多普勒頻移一般與觀測者以同樣速度運動引起的頻移不同;而對電磁波,多普勒頻移僅與兩者相對運動速度有關,而不論是源還是觀測者在運動。
一個電磁波輻射源S 以速度v相對觀測者O沿與聯線SO成 θ角的方向運動(如圖所示),觀測者測得的頻率為
, (6)
式中f是源的波頻率。
(2)當源和觀測者運動的方向與兩者之間的聯線成直角時,聲波沒有多普勒頻移;對於電磁波,由公式(6)可知,是存在多普勒頻移的。
(3)與聲波不同,電磁波在媒質中傳播時,觀測到的波頻率不受媒質運動的影響。
日常生活中容易觀察到的多普勒效應如鳴著汽笛的火車快速駛過時,路旁的人所聽到汽笛的聲調,由低變高,然後又由高變低。又例如用光譜儀觀測行星的光譜時,因行星與地球間的相對運動,可以看到行星的譜線,因多普勒效應而產生的頻移。
多普勒效應有很多應用,如利用多普勒效應制成的流量計,可以測量人體內血管中血液的流速或工礦企業管道中汙水或有懸浮物的液體的流速。還可以用多普勒效應測量人造衛星執行的速度和高度等。
參考書目
R.W.B.Stephens and A. E. Bate, Acoustics and Vibrational Physics,2nd ed.,Amold, London, 1966.