Эффект доплера объяснение. Эффект доплера для упругих и электромагнитных волн

Регистрируемых приёмником, вызванное движением их источника и/или движением приёмника. Его легко наблюдать на практике, когда мимо наблюдателя проезжает машина с включённой сиреной. Предположим, сирена выдаёт какой-то определённый тон, и он не меняется. Когда машина не движется относительно наблюдателя, тогда он слышит именно тот тон, который издаёт сирена. Но если машина будет приближаться к наблюдателю, то частота звуковых волн увеличится (а длина уменьшится), и наблюдатель услышит более высокий тон, чем на самом деле издаёт сирена. В тот момент, когда машина будет проезжать мимо наблюдателя, тот услышит тот самый тон, который на самом деле издаёт сирена. А когда машина проедет дальше и будет уже отдаляться, а не приближаться, то наблюдатель услышит более низкий тон, вследствие меньшей частоты (и, соответственно, большей длины) звуковых волн.

Для волн, распространяющихся в какой-либо среде (например, звука) нужно принимать во внимание движение как источника так и приёмника волн относительно этой среды. Для электромагнитных волн (например, света), для распространения которых не нужна никакая среда, имеет значение только относительное движение источника и приёмника.

Также важен случай, когда в среде движется заряженная частица с релятивистской скоростью. В этом случае в лабораторной системе регистрируется черенковское излучение , имеющее непосредственное отношение к эффекту Доплера.

где f 0 - частота, с которой источник испускает волны, c - скорость распространения волн в среде, v - скорость источника волн относительно среды (положительная, если источник приближается к приёмнику и отрицательная, если удаляется).

Частота, регистрируемая неподвижным приёмником

u - скорость приёмника относительно среды (положительная, если он движется по направлению к источнику).

Подставив значение частоты из формулы (1) в формулу (2), получим формулу для общего случая.

(3)

Релятивистский эффект Доплера

В случае электромагнитных волн формулу для частоты выводят из уравнений специальной теории относительности .Так как для распространения электромагнитных волн не требуется материальная среда, можно рассматривать только относительную скорость источника и наблюдателя.

где с - скорость света, v - относительная скорость приёмника и источника (положительная в случае их удаления друг от друга).

Как наблюдать эффект Доплера

Поскольку явление характерно для любых колебательных процессов, то его очень легко наблюдать для звука. Частота звуковых колебаний воспринимается на слух как высота звука . Надо дождаться ситуации, когда быстро движущийся автомобиль будет проезжать мимо вас, издавая звук, например, сирену или просто звуковой сигнал. Вы услышите, что когда автомобиль будет приближаться к вам, высота звука будет выше, потом, когда автомобиль поравняется с вами, резко понизится и далее, при удалении, автомобиль будет сигналить на более низкой ноте .

Применение

Доплеровский радар

Ссылки

• Применение эффекта Доплера для измерения течений в океане

Wikimedia Foundation . 2010 .

Смотреть что такое "Доплеровское смещение" в других словарях:

доплеровское смещение - Doplerio poslinkis statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. Doppler displacement; Doppler shift vok. Doppler Verschiebung, f rus. доплеровский сдвиг, m; доплеровское смещение, n pranc. déplacement Doppler, m; déviation Doppler, f … Fizikos terminų žodynas

доплеровское смещение частоты - Doplerio dažnio poslinkis statusas T sritis radioelektronika atitikmenys: angl. Doppler frequency displacement; Doppler frequency shift vok. Doppler Frequenzverschiebung, f rus. доплеровский сдвиг частоты, m; доплеровское смещение частоты, n… … Radioelektronikos terminų žodynas

Красное смещение сдвиг спектральных линий химических элементов в красную (длинноволновую) сторону. Это явление может быть выражением эффекта Доплера или гравитационного красного смещения, или их комбинацией. Сдвиг спектра … Википедия

Увеличение длин волн (l) линий в эл. магн. спектре источника (смещение линий в сторону красной части спектра) по сравнению с линиями эталонных спектров. Количественно К. с. характеризуется величиной z=(lприн lисп)/lисп, где lисп и lприн… … Физическая энциклопедия

Гравитационное синее смещение кванта (фотона) или иной элементарной частицы (такой как электрон, или протон) при её падении в гравитационное поле (создаваемое жёлтой звездой в нижней части … Википедия

Понижение частот электромагнитного излучения, одно из проявлений Доплера эффекта. Название «К. с.» связано с тем, что в видимой части спектра в результате этого явления линии оказываются смещенными к его красному концу; К. с. наблюдается… … Большая советская энциклопедия

Изменение частоты колебаний w или длины волны l, воспринимаемой наблюдателем, при движении источника колебаний и наблюдателя относительно друг друга. Возникновение Д. э. проще всего объяснить на след. примере. Пусть неподвижный источник испускает … Физическая энциклопедия

Теории относительности образуют существенную часть теоретического базиса современной физики. Существуют две основные теории: частная (специальная) и общая. Обе были созданы А.Эйнштейном, частная в 1905, общая в 1915. В современной физике частная… … Энциклопедия Кольера

Раздел астрономии, изучающий космические объекты путем анализа приходящего от них радиоизлучения. Многие космические тела излучают радиоволны, достигающие Земли: это, в частности, внешние слои Солнца и атмосфер планет, облака межзвездного газа.… … Энциклопедия Кольера

Горячие светящиеся небесные тела, подобные Солнцу. Звезды различаются по размеру, температуре и яркости. По многих параметрам Солнце типичная звезда, хотя кажется гораздо ярче и больше всех остальных звезд, поскольку расположено намного ближе к… … Энциклопедия Кольера

Эффект Доплера – это физическое явление, состоящее в изменении частоты волн в зависимости от движения источника этих волн относительно наблюдателя. При приближении источника частота излучаемых им волн увеличивается, а длина уменьшается. При удалении источника волн от наблюдателя их частота уменьшается, а длина волны увеличивается.

Например, в случае звуковых волн при удалении источника высота звука понизится, а при приближении тон звука станет более высоким. Так, по изменению высоты тона можно определить, приближается или удаляется поезд, автомобиль со звуковым спецсигналом и т.д. Электромагнитные волны также демонстрируют эффект Доплера. Наблюдатель в случае удаления источника заметит смещение спектра в «красную» сторону, т.е. в сторону более длинных волн, а при приближении – в «фиолетовую», т.е. в сторону более коротких волн.

Эффект Доплера оказался крайне полезным открытием. Благодаря ему было обнаружено расширение Вселенной (спектры галактик смещены в красную сторону, следовательно, они от нас удаляются); разработан метод диагностики сердечно-сосудистой системы через определение скорости кровотока; созданы различные радары, в том числе и те, которые используются ГИБДД.

Самый популярный пример распространения эффекта Доплера: машина с сиреной. Когда она едет к тебе или от тебя, ты слышишь один звук, а когда проезжает мимо, то совершенной другой - более низкий. Эффект Доплера связан не только со звуковыми волнами, но и любыми другими. С помощью эффекта Доплера можно определить скорость чего-либо, будь это машина или небесные тела, при условии, что мы знаем параметры (частоту и длину волны). Все, что связано с телефонными сетями, вай-фаем, охранными сигнализациями - везде можно наблюдать эффект Доплера.

Или возьмем светофор - у него есть красный, желтый и зеленый цвета. В зависимости от того, с какой скоростью мы движемся, эти цвета могут меняться, но не между собой, а смещаться в сторону фиолетового: желтый будет уходить в зеленый, а зеленый в синий.

Ну почему же? Если мы движемся от источника света и смотрим назад (или светофор уезжает от нас), то цвета сдвинутся в сторону красного.

И, наверное, стоит уточнить, что скорость, на которой красный можно перепутать с зеленым, намного выше той, с которой можно ездить по дорогам.

Ответить

Прокомментировать

Суть эффекта Допплера заключается в том, что если источник звука приближается к наблюдателю или отдаляется от него, то частота звука, испускаемого им, с точки зрения наблюдателя изменяется. Так, например, изменяется звук двигателя машины, которая проезжает мимо вас. Он выше пока она приближается к вам и резко становится ниже, когда она пролетает мимо вас и начинает удаляться. Изменение частоты тем сильнее, чем выше скорость движения источника звука.

К слову, этот эффект справедлив не только для звука, но и, скажем, для света. Просто для звука он нагляднее - его можно наблюдать на относительно небольших скоростях. У видимого света настолько большая частота, что небольшие изменения за счёт эффекта Допплера невооружённым глазом незаметны. Однако, в некоторых случая эффект Допплера следует учитывать даже в радиосвязи.

Если не углубляться в строгие определения и попытаться объяснить эффект, что называется, на пальцах, то всё достаточно просто. Звук (как и свет или радиосигнал) - это волна. Для наглядности, давайте будем считать, что частота принимаемой волны зависит от того, как часто мы принимаем "гребни" схематической волны (). Если источник и приёмник будут неподвижны (да, относительно друг друга), то мы будем принимать "гребни" с той же частотой, с какой их излучает приёмник. Если же источник и приёмник начнут сближаться, то мы начнём принимать тем чаще, чем выше скорость сближения - скорости будут складываться. В итоге частота звука на приёмнике будет выше. Если же источник начнёт удаляться от приёмника, то каждому следующему "гребню" понадобится чуть больше времени, чтобы достигнуть приёмника - мы начнём принимать "гребни" чуть реже, чем их излучает источник. Частота звука на приёмнике будет ниже.

Это объяснение в известной степени схематично, но общий принцип оно отражает.

Если коротко - изменение наблюдаемой частоты и длины волны в том случае, если источник и приемник движутся относительно друг друга. Связан с конечностью скорости распространения волн. Если источник с приемником сближаются - частота растет (пик волны регистрируется чаще); удаляются друг от друга - частота падает (пик волны регистрируется реже). Оычная иллюстрация эффекта - сирена спецслужб. Если скорая к вам подъезжает - сирена визжит, отъезжает - басовито гудит. Отдельный случай - распространение электромагнитной волны в ваккууме - там добавяется еще релятивистская составляющая и допплеровский эффект проявляется и в том случае, когда приемник и источник неподвижны относительно друг друга, что объясняется свойствами времени.

Попробую ответить наиболее простым способом:
Представте, что вы стоите на месте и каждую секунду запускаете волну (например голосом), которая радиально распространяется от вас со скоростью 100 м/с.

Эффектом Доплера называют изменение длины и частоты регистрируемых приемником волн, которое вызывает движение их источника либо самого приемника. Данное название эффект получил в честь Кристиана Доплера, который открыл его. Доказать гипотезу экспериментальным методом позднее удалось голландскому ученому Кристиану Баллоту, посадившему в открытый железнодорожный вагон духовой оркестр и собравшему на платформе группу из самых одаренных музыкантов. Когда вагон с оркестром проезжал рядом с платформой, музыканты тянули какую-либо ноту, а слушатели записывали на бумаге то, что им слышалось. Как и ожидалось, восприятие высоты звука напрямую зависело от , как и гласил закон Доплера.

Действие эффекта Доплера

Объясняется данное явление довольно просто. На слышимый тон звука влияет частота звуковой волны, которая доходит до уха. При движении источника звука навстречу человеку каждая последующая волна приходит все быстрее. Ухо воспринимает волны как более частые, из-за чего звук кажется более высоким. Но в процессе удаления источника звука последующие волны испускаются чуть дальше и доходят до уха позднее предыдущих, из-за чего звук ощущается ниже.

Такое явление происходит не только во время движения источника звука, но и человека. «Набегая» на волну, человек пересекает ее гребни чаще, воспринимая звук как более высокий, а уходя от волны – наоборот. Таким образом, эффект Доплера не зависит ни от движется источника звука, ни его приемника по отдельности. Соответствующее звуковое восприятие возникает в процессе их движения относительно друг друга, причем данный эффект характерен не только для звуковых волн, но и световых, а также радиоактивного излучения.

Применение эффекта Доплера

Эффект Доплера не перестает играть чрезвычайно важную роль в самых разных областях науки и жизнедеятельности человека. С помощью него астрономам удалось выяснить, что вселенная постоянно расширяется, а звезды «убегают» друг от друга. Также эффект Доплера позволяет определять параметры движения космических аппаратов и планет. Он же составляет основу действия радаров, которые используют сотрудники ГИБДД для автомобиля. Этим же эффектом пользуются медицинские специалисты, которые при помощи ультразвукового прибора отличают вены от артерий во время проведения инъекций.

– важнейшее явление в физике волн. Прежде чем перейти напрямую к сути вопроса, немного вводной теории.

Колебание – в той или иной степени повторяющийся процесс изменения состояния системы около положения равновесия. Волна - это колебание, которое способно удаляться от места своего возникновения, распространяясь в среде. Волны характеризуются амплитудой , длиной и частотой . Звук, который мы слышим - это волна, т.е. механические колебания частиц воздуха, распространяющиеся от источника звука.

Вооружившись сведениями о волнах, перейдем к эффекту Доплера. А если хотите узнать больше о колебаниях, волнах и резонансе - добро пожаловать в нашего блога.

Суть эффекта Доплера

Самый популярный и простой пример, объясняющий суть эффекта Доплера – неподвижный наблюдатель и машина с сиреной. Допустим, вы стоите на остановке. К вам по улице движется карета скорой помощи со включенной сиреной. Частота звука, которую вы будете слышать по мере приближения машины, не одинакова.

Сначала звук будет более высокой частоты, когда машина поравняется с остановкой. Вы услышите истинную частоту звука сирены, а по мере удаления частота звука будет понижаться. Это и есть эффект Доплера .

Частота и длина волны излучения, воспринимаемого наблюдателем, изменяется вследствие движения источника излучения.

Если у Кэпа спросят, кто открыл эффект Доплера, он не задумываясь ответит, что это сделал Доплер. И будет прав. Данное явление, теоретически обоснованное в 1842 году австрийским физиком Кристианом Доплером , было впоследствии названо его именем. Сам Доплер вывел свою теорию, наблюдая за кругами на воде и предположив, что наблюдения можно обобщить для всех волн. Экспериментально подтвердить эффект Доплера для звука и света удалось позднее.

Выше мы рассмотрели пример Эффект Доплера для звуковых волн. Однако эффект Доплера справедлив не только для звука. Различают:

• Акустический эффект Доплера;
• Оптический эффект Доплера;
• Эффект Доплера для электромагнитных волн;
• Релятивистский эффект Доплера.

Именно эксперименты со звуковыми волнами помогли дать первое экспериментальное подтверждение этому эффекту.

Экспериментальное подтверждение эффекта Доплера

Подтверждением правильности рассуждений Кристиана Доплера связано с одним из интересных и необычных физических экспериментов. В 1845 году метеоролог из Голландии Христиан Баллот взял мощный локомотив и оркестр, состоящий из музыкантов с абсолютным слухом. Часть музыкантов – это были трубачи – ехали на открытой площадке поезда и постоянно тянули одну и ту же ноту. Допустим, это была ля второй октавы.

Другие музыканты находились на станции и слушали, что играют их коллеги. Абсолютный слух всех участников эксперимента сводил вероятность ошибки к минимуму. Эксперимент длился два дня, все устали, было сожжено много угля, но результаты того стоили. Оказалось, что высота звука действительно зависит от относительной скорости источника или наблюдателя (слушателя).

Применение эффекта Доплера

Одно из наиболее широко известных применений – определение скорости движения объектов при помощи датчиков скорости. Радиосигналы, посылаемые радаром, отражаются от машин и возвращаются обратно. При этом, смещение частоты, с которой сигналы возвращаются, имеет непосредственную связь со скоростью машины. Сопоставляя скорость и изменение частоты, можно вычислять скорость.

Эффект Доплера широко применяется в медицине. На нем основано действие приборов ультразвуковой диагностики. Существует отдельная методика в УЗИ, называемая доплерографией .

Эффект Доплера также используют в оптике , акустике , радиоэлектронике , астрономии , радиолокации .

Кстати! Для наших читателей сейчас действует скидка 10% на

Открытие эффекта Доплера сыграло важную роль в ходе становления современной физики. Одно из подтверждений теории Большого взрыва основывается на этом эффекте. Как связаны эффект Доплера и Большой взрыв? Согласно теории Большого взрыва, Вселенная расширяется.

При наблюдении удаленных галактик наблюдается красное смещение – сдвиг спектральных линий в красную сторону спектра. Объясняя красное смещение при помощи эффекта Доплера, можно сделать вывод, согласующийся с теорией: галактики удаляются друг от друга, Вселенная расширяется.

Формула для эффекта Доплера

Когда теорию эффекта Доплера подвергали критике, одним из аргументов оппонентов ученого был факт, что теория помещалась всего на восьми листах, а вывод формулы эффекта Доплера не содержал громоздких математических выкладок. На наш взгляд, это только плюс!

Пусть u – скорость приемника относительно среды, v – скорость источника волн относительно среды, с - скорость распространения волн в среде, w0 - частота волн источника. Тогда формула эффекта Доплера в самом общем случае будет выглядеть так:

Здесь w – частота, которую будет фиксировать приемник.

Релятивистский эффект Доплера

В отличие от классического эффекта Доплера при распространении электромагнитных волн в вакууме для расчета эффекта Доплера следует применять СТО и учитывать релятивистское замедление времени. Пусть света – с , v – скорость источника относительно приемника, тета – угол между направлением на источник и вектором скорости, связанным с системой отсчета приемника. Тогда формула для релятивистского эффекта Доплера будет иметь вид:

Сегодня мы рассказали о важнейшем эффекте нашего мира – эффекте Доплера. Хотите научиться решать задачи на эффект Доплера быстро и легко? Спросите у , и они охотно поделятся своим опытом! А в конце - еще немного про теорию Большого взрыва и эффект Доплера.

Федеральное агентство по образованию Российской Федерации

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Южно-Уральский государственный университет»

Факультет «Экономики и Управления»

Кафедра «Экономика и финансы»

КУРСОВАЯ РАБОТА

по дисциплине «Физика»

Тема: «Основные характеристики волновых процессов. Эффект Доплера.

Его значение в акустике, оптике и космологии».

Выполнил: Студент группы

Проверил:

Зоя Алексеевна Ивашкова

Челябинск

Введение3

1. История открытия явления3

2.Сущность физического явления 4

3. Область применения физического явления в акустике, оптике, космологии8

3.1. Применение в космологии8

3.2. Применение в акустике10 3.3. Применение в оптике10 4. Описание конкретного примера прибора с рисунком 11 4.1 Описание принципа работы12 4.2 Показатели работы и эффективности прибора12 5. Полезный экономический эффект13 6. Вывод14 7. Литература16

Введение

Процесс распространения колебаний в сплошной среде называется волновым процессом (или волной). При распространении волны частицы среды не движутся вместе с волной, а колеблются около своих положений равновесия. Вместе с волной от частицы к частице среды передаются лишь состояние колебательного движения и его энергия. Поэтому основным свойством всех волн, независимо от их природы, является перенос энергии без переноса вещества.

Это замечание впервые было сделано Доплером (1842 г.), который указал, что воспринимаемая частота становится больше при сближении источника и приёмного прибора и меньше при их удалении друг от друга. Рассуждения Доплера применимы ко всем волновым явлениям – оптическим, акустическим и иным.

Эффект Доплера легко можно наблюдать на практике, когда мимо наблюдателя проезжает машина с включённой сиреной. Предположим, сирена выдаёт какой-то определённый тон, и он не меняется. Когда машина не движется относительно наблюдателя, тогда он слышит именно тот тон, который издаёт сирена. Но если машина будет приближаться к наблюдателю, то частота звуковых волн увеличится (а длина уменьшится), и наблюдатель услышит более высокий тон, чем на самом деле издаёт сирена. В тот момент, когда машина будет проезжать мимо наблюдателя, тот услышит тот самый тон, который на самом деле издаёт сирена. А когда машина проедет дальше и будет уже отдаляться, а не приближаться, то наблюдатель услышит более низкий тон, вследствие меньшей частоты (и, соответственно, большей длины) звуковых волн.

Для волн (например, звука), распространяющихся в какой-либо среде, нужно принимать во внимание движение как источника, так и приёмника волн относительно этой среды. Для электромагнитных волн (например, света), для распространения которых не нужна никакая среда, имеет значение только относительное движение источника и приёмника.

Также важен случай, когда в среде движется заряженная частица с релятивистской скоростью. В этом случае в лабораторной системе регистрируется черенковское излучение, имеющее непосредственное отношение к эффекту Доплера.

1. История открытия явления

Христиан Доплер, Австрийский физик, родился 29 ноября 1803 года в Зальцбурге в семье каменщика. В 1825 году окончил Политехнический институт в Вене, с 1829 по 1833 преподавал высшую математику в Вене. Затем, в течение полутора лет, ему пришлось работать клерком на хлопчатобумажной фабрике. Он даже хотел эмигрировать в Америку, но получил приглашение быть профессором в Праге, где проработал с 1835 по 1847 год. С 1847 года – профессор Горной и Лесной академий в Хемнице, с 1848 года – член Венской кадемии Наук, с 1850 профессор Венского университета и директор первого в мире Физического института, созданного при Венском университете по его инициативе. Умер Христиан Доплер 17 марта 1853 года в Венеции от туберкулеза.

В мае 1842 года Кристиан Доплер опубликовал работу, где, сформулировал принцип, согласно которому «при относительном движении источника и приемника излучения регистрируемая частота излучения зависит от скорости их движения». Впервые этот эффект был подтвержден экспериментально в акустическом диапазоне волн в 1845 году английским ученым Байсом Бэллотом. Поставленный им опыт состоял в следующем. На платформе, сцепленной с движущимся локомотивом, находился музыкант, играющий на одной ноте. Второй музыкант с абсолютным слухом стоял на перроне вокзала. Он констатировал, что, когда поезд приближался к станции, труба звучала на полтона выше; когда поезд удалялся от станции этому музыканту казалось, что труба играет на полтона ниже. Как и ожидалось, кажущаяся высота звука оказалась в прямой зависимости от скорости поезда, что, собственно, и предсказывалось законом Доплера. Применительно к задачам астрономии данный эффект был проверен Уильямом Хаггинсом в 1868 году. В оптическом диапазоне в лабораторных условиях это явление наблюдалось русским ученым А.А.Белопольским в 1900 году.

Принцип Доплера получил многочисленные применения в самых разнообразных областях физики и техники, там, где надо измерить скорость предметов, которые могут излучать или отражать волны, например:

• Детектор движения в охранных системах.
• Навигация в подводных лодках.
• Измерение силы ветра и скорости облаков в метеорологии.

2. Сущность физического явления

Эффектом Доплера называют изменение частоты волн, регистрируемых приемником, которое происходит вследствие движения источника этих волн и приемника.

Источник, двигаясь к приемнику, как бы сжимает пружину – волну (рис.1).

Данный эффект наблюдается при распространении звуковых волн (акустический эффект ) и электромагнитных волн (оптический эффект ).

Рассмотрим несколько случаев проявления акустического эффекта Доплера:

1) Пусть приемник звуковых волн П в газообразной (или жидкой) среде неподвижен относительно нее, а источник И удаляется от приемника со скоростью вдоль соединяющей их прямой (рис.2, а ).

Источник смещается в среде за время, равное периоду его колебаний, на расстояние , где – частота колебаний источника.

Поэтому при движении источника длина волны в среде отлична от ее значения при неподвижном источнике:

, где – фазовая скорость волны в среде.

Частота волны, регистрируемая приемником,

2) Если вектор скорости источника направлен под произвольным углом к радиус-вектору , соединяющему неподвижный приемник с источником (рис. 2, б), то частота волны будет равна:

3) Если источник неподвижен, а приемник приближается к нему со скоростью вдоль соединяющей их прямой (рис.2, в), то длина волны в среде . Однако, скорость распространения волны относительно приемника равна ,

так что частота волны, регистрируемая приемником

4) В том случае, когда скорость направлена под произвольным углом к радиус-вектору , соединяющему движущийся приемник с неподвижным источником (рис. 2, г), имеем:

5) В самом общем случае, когда и приемник и источник звуковых волн движутся относительно среды с произвольным скоростями (рис.2, д), частота волны

Эту формулу можно также представить в виде (если )

где – скорость источника волны относительно приемника, а – угол между векторами и . Величина , равная проекции на направление , называется лучевой скоростью источника .

Оптический эффект Доплера

При движении источника и приемника электромагнитных волн относительно друг друга также наблюдается эффект Доплера, т.е. изменение частоты волны, регистрируемой приемником. В отличие от рассмотренного нами эффекта Доплера в акустике, закономерности этого явления для электромагнитных волн можно установить только на основе специальной теории относительности.

1) Так как для распространения электромагнитных волн не требуется материальная среда, можно рассматривать только относительную скорость источника и наблюдателя. Соотношение, описывающее эффект Доплера для электромагнитных волн в вакууме, с учетом преобразований Лоренца, имеет вид:

(релятивистская формула эффекта Доплера)

где с - скорость света, v - скорость источника относительно приёмника (наблюдателя), θ - угол между направлением на источник и вектором скорости. Если источник радиально удаляется от наблюдателя, то θ=0, если приближается - θ=π.

Релятивистский эффект Доплера обусловлен двумя причинами:

• классический аналог изменения частоты при относительном движении источника и приёмника;
• релятивистское замедление времени.

2) При небольших скоростях движения источника волн относительно приемника, релятивистская формула эффекта Доплера совпадает с классической формулой

3) Если источник движется относительно приемника вдоль соединяющей их прямой, то наблюдается продольный эффект Доплера .

В случае сближения источника и приемника () ,

а в случае их взаимного удаления ()

Продольный эффект Доплера был впервые обнаружен в 1900 г. в лабораторных условиях русским астрофизиком А. А. Белопольским (1854 - 1934) и повторен в 1907 г. Русским физиком Б.Б.Голицыным (1862-1919). Продольный эффект Доплера используется при исследовании атомов, молекул, а также космических тел, так как по смещению частоты световых колебаний, которое проявляется в виде смещения или уширения спектральных линий, определяется характер движения излучающих частиц или тел.

4) Кроме того, из релятивистской теории эффекта Доплера следует существование поперечного эффекта Доплера , наблюдающегося когда угол между волновым вектором и скоростью источника равен и , т.е. в тех случаях, когда источник движется перпендикулярно линии наблюдения (например источник движется по окружности, приемник в центре):

Поперечный эффект Доплера необъясним в классической физике. Он представляет собой чисто релятивистский эффект.

Как видно из формулы, поперечный эффект пропорционален отношению , следовательно он значительно слабее продольного, который пропорционален .

В общем случае вектор относительной скорости можно разложить на составляющие: одна обеспечивает продольный эффект, другая – поперечный.

Существование поперечного эффекта Доплера следует непосредственно из замедления времени в движущихся системах отсчета. Экспериментальное обнаружение поперечного эффекта Доплера явилось еще одним подтверждением справедливости теории относительности; он был обнаружен в 1938 г. в опытах американского физика Г. Айвса.

Впервые экспериментальная проверка существования эффекта Доплера и правильности релятивистской формулы была осуществлена американскими физиками Г. Айвсом и Д. Стилуэллом в 30-х гг. Они с помощью спектрографа исследовали излучение атомов водорода, разогнанных до скоростей м/с. В 1938 г. результаты были опубликованы. Резюме: поперечный эффект Доплера наблюдался в полном соответствии с релятивистскими преобразованиями частоты (спектр излучения атомов оказался сдвинут в низкочастотную область); вывод о замедлении времени в движущихся инерциальных системах отсчета подтвержден.

3. Область применения физического явления в акустике, оптике и космологии.

Люди используют эффект Доплера везде, где необходимо измерить скорость предметов, которые могут излучать или отражать волны: от замеров скорости движения и вращения (кругом своей оси) звезд до медицинских приборов, которые диагностируют сердце и кровеносные сосуды, измеряют скорость кровотока, скорость движения клапанов и стенок сердца (доплеровская эхокардиография) и других органов.

3.1. Применение в космологии.

Особенно большую роль эффект Доплера играет в астрофизике. На основании доплеровского смещения линий поглощения в спектрах звезд и туманностей можно определять лучевые скорости этих объектов по отношению к Земле: при по формуле

Американский астроном Э. Хаббл обнаружил в 1929 г. явление, получившее название космологического красного смещения и состоящее в том, что линии в спектрах излучения внегалактических объектов смещены в сторону меньших частот (больших длин волн). Оказалось, что для каждого объекта относительное смещение частоты ( – частота линии в спектре неподвижного источника, – наблюдаемая частота) совершенно одинаково по всем частотам. Космологическое красное смещение есть не что иное, как эффект Доплера. Оно свидетельствует о том, что Метагалактика расширяется, так что внегалактические объекты удаляются от нашей Галактики.

Под Метагалактикой понимают совокупность всех звездных систем. В современные телескопы можно наблюдать часть Метагалактики, оптический радиус которой равен . Существование этого явления было теоретически предсказано еще в 1922 г. советским ученым А.А. Фридманом на основе развития общей теории относительности.

Хаббл установил закон, согласно которому относительное красное смещение галактик растет пропорционально расстоянию до них .

Закон Хаббла можно записать в виде , где H – постоянная Хаббла. По современным оценкам, проведенным в 2003 г., (1 пк (парсек) – расстояние, которое свет проходит в вакууме за 3,27 лет, ).

В 1990 г. на борту шаттла «Дискавери» был выведен на орбиту космический телескоп имени Хаббла.

Астрономы давно мечтали о телескопе, который работал бы в видимом диапазоне, но находился за пределами земной атмосферы, сильно мешающей наблюдениям. «Хаббл» не только не обманул возлагавшихся на него надежд, но даже превзошел практически все ожидания. Он фантастически расширил «поле зрения» человечества, заглянув в немыслимые глубины Вселенной. За время своей работы космический телескоп передал на землю 700 тыс. великолепных фотографий. Он, в частности, помог астрономам определить точный возраст нашей Вселенной – 13,7 млрд. лет; помог подтвердить существование во Вселенной странной, но оказывающей огромное влияние, формы энергии – темной энергии; доказал существование сверхмассивных черных дыр; удивительно четко заснял падение кометы на Юпитер; показал, что процесс формирования планетных систем является широко распространенным в нашей Галактике; обнаружил небольшие протогалактики, зарегистрировав излучение, испущенное ими, когда возраст Вселенной составлял менее 1 млрд. лет.

Также по доплеровскому сдвигу определенной частоты испускаемого света можно судить о скорости движения звезды вдоль линии ее наблюдения. Наиболее удивительный результат дает наблюдение доплеровского сдвига частот света удаленных галактик: так называемое красное смещение свидетельствует о том, что все галактики удаляются от нас со скоростями примерно до половины скорости света, возрастающими с расстоянием. Вопрос о том, расширяется ли Вселенная подобным образом или красное смещение обусловлено чем-то иным, а не «разбеганием» галактик, остается открытым.

Применение принципа Доплера в астрономии привело к ряду замечательных открытий. В 1889году директор Гарвардской обсерватории (США) Эдуард Чарлз Пикеринг (1846-1919) обнаружил раздвоение линий в спектре Мицара – всем известной звезды 2-й звездной величины в хвосте Большой Медведицы. Линии с определенным периодом то сдвигались, то раздвигались. Пикеринг понял, что это скорее всего тесная двойная система: ее звезды настолько близки друг к другу, что их нельзя различить ни в один телескоп. Однако спектральный анализ позволяет это сделать. Поскольку скорости обеих звезд пары направлены в разные стороны, их можно определить, используя принцип Доплера – Физо (а также, конечно, и период обращения звезд в системе).

На эффекте Доплера основаны радиолокационные лазерные методы измерения скоростей различных объектов на Земле (например автомобиля, самолета и др.). Лазерная анемометрия является незаменимым методом изучения потока жидкости или газа. Хаотическое тепловое движение атомов светящегося тела также вызывает уширение линий в его спектре, которое возрастает с увеличением скорости теплового движения, т.е. с повышением температуры газа. Это явление можно использовать для определения температуры раскаленных газов.

Метод Доплера - метод обнаружения экзопланет, известен также как спектрометрическое измерение радиальной скорости звёзд. Это самый распространённыйметод.

Экзопланеты, открытые методом Доплера, по годам, на 2010-01-05

С его помощью можно обнаружить планеты с массой не меньше нескольких масс Земли, расположенные в непосредственной близости от звезды и планеты-гиганта с периодами до примерно 10 лет. Планета, обращаясь вокруг звезды, как бы раскачивает её, и мы можем наблюдать доплеровское смещение спектра звезды.
Этот метод позволяет определить амплитуду колебаний радиальной скорости для пары «звезда - одиночная планета», массу звезды, период обращения, эксцентриситет и нижнюю границу значения массы экзопланеты . Угол между нормалью к орбитальной плоскости планеты и направлением на Землю современные методы измерить не позволяют.
На февраль 2010 года открыто 336 планет.

3.2 Применение в акустике

С помощью эффекта Доплера измеряют скорость потока жидкостей. Преимущество этого метода заключается в том, что не требуется помещать датчики непосредственно в поток. Скорость определяется по рассеянию ультразвука на неоднородностях среды (частицах взвеси, каплях жидкости, не смешивающихся с основным потоком, пузырьках газа).

Поскольку человеческое тело состоит сплошь из жидкостей, скорость которых можно измерить, эффект Доплера широко используется и в медицине, чтобы измерять скорость кровотока, скорость движения клапанов и стенок сердца (доплеровская эхокардиография) и других органов.

Во всем мире данное явление используется в полицейских радарах, позволяющих отлавливать и штрафовать нарушителей правил дорожного движения, превышающих скорость. Пистолет-радар излучает радиоволновой сигнал (обычно в диапазоне УКВ или СВЧ), который отражается от металлического кузова вашей машины. Обратно на радар сигнал поступает уже с доплеровским смещением частоты, величина которого зависит от скорости машины. Сопоставляя частоты исходящего и входящего сигнала, прибор автоматически вычисляет скорость вашей машины и выводит ее на экран.

Радиолокация – это определение местоположения объекта, обычно самолета или ракеты, путем облучения его высокочастотными радиоволнами и последующей регистрации отраженного сигнала. Если объект движется с большой скоростью в направлении радиолокатора или от него, то сигнал будет принят со значительным доплеровским сдвигом частоты, и по этому сдвигу можно вычислить скорость объекта. Точно так же доплеровский сдвиг частоты ультразвукового сигнала используется для определения скорости движения подводных лодок.

Эффект Доплера также лежит в основе работы автосигнализации, которая действует для обнаружения движущихся объектов вблизи и внутри автомобиля.

3.3.Применение в оптике

Оптический эффект Доплера также широко применим в науке и технике. В частности, доплеровские радары истребителей-перехватчиков по сдвигу частоты отражённого сигнала выделяют движущиеся цели на фоне засветок от неподвижных объектов, что позволяет обнаруживать низколетящие самолёты и крылатые ракеты на фоне земли.

Радиолокаторы на самолётах и вертолётах при полете на малой высоте предупреждают пилота о приближающихся препятствиях, а в режиме картографирования местности помогают ориентироваться ночью или в сложных метеоусловиях. В портах радиолокаторы помогают управлять движением судов; метеорологи применяют радары для слежения за ураганами; с помощью радаров осуществляется картографирование космических объектов.

Специальный радар картографирования местности, жестко закрепленный на борту самолета, посылает узкий луч в сторону земли. Луч сканирует поверхность земли по мере движения самолета. С помощью такой системы была получена эта радарная карта
западного района.

4.Описание конкретного примера прибора с рисунком.

В океанологии и гидрологии применяется прибор для измерения профиля течения в водной толще, основанный на доплеровском эффекте - акустический доплеровский измеритель течения (ADCP). Он периодически излучает звуковой сигнал определённой частоты, который отражается от планктона и мелких пузырьков воздуха. Измеряя смещение частоты отражённого сигнала относительно частоты базового сигнала и время его прихода можно получить оценку скорости течения на определённой глубине.

ADCP измеряет скорость и направление течений в океане используя эффект который называется «Доплеровским смещением».

4.1.Принцип работы прибора

ADCP излучает последовательность высокочастотных звуковых импульсов которые отражаются от движущихся в воде частиц (это может быть планктон, или частицы любого растворенного в воде). В зависимости от того движутся частицы по направлению от источника звука или к нему, частота или иными словами высота звука отражённого сигнала, принимаемого ADCP выше или ниже. Частицы, движущиеся от инструмента производят сигнал с меньшей частотой и наоборот. Поскольку частицы передвигаются с той же скоростью что и вода в которой они находятся, сдвиг частоты пропорционален скорости звука.

ADCP обладает четырьмя акустическими излучателями которые излучают и принимают акустические импульсы в четырёх направлениях. Тригонометрические соотношения используются для перевода отражённого сигнала полученного четырьмя излучателями в течения относительно земных координат (север-юг, запад-восток, верх-низ) (внутри находится компас). Поскольку излучаемый звук может проникать на довольно большую глубину, ADCP способен одновременно измерять течения на нескольких горизонтах. Таким образом имеется возможность определить скорость и направление течения от поверхности до значительной глубины.

4.2 Показатели работы и эффективности прибора

Существует два способа установки ADCP. Излучателями вниз – тогда он будет производить измерения, например, от поверхности до 100 метров, или, если поставить его на буйковую станцию, например, от 150 метров до 250. Излучателями вверх – ставят либо на дно, где он будет измерять течения от дна до поверхности, или насколько хватит его мощности, либо подвешивают на притопленной буйковой станции, чтобы смотреть поверхностные течения. Если установка произведена излучателями вверх и до поверхности не так далеко, то можно засечь движение льда и даже движение ветра над местом постановки (если воздух будет достаточно влажным).

На больших научно-исследовательских кораблях ADCP установлен на постоянной основе и находится на днище. Типичный прибор (75 кГц) достаточно мощный для того чтобы проводить измерения до 700 метров. Во время работы ADCP посылает и принимает несколько акустических импульсов в секунду. Встроенный компьютер обрабатывает принятый сигнал и выводит силу и направление течений в столбе воды под кораблём в реальном времени. Таким образом, специалисты могут наблюдать изменяющуюся структуру океанских течений во время движения корабля практически беспрерывно. Технология ADCP очень надёжна и система нуждается в минимальном техническом сопровождении, а также не требует долгого обучения.

5. Полезный экономический эффект

Эффект Доплера находит широкое применение и в науке, и в быту. Рассмотрим повышение эффективности работы процессов, основанных на эффекте Доплера, более подробно в таких областях, как медицина и геодезия.

Геодезия. Последним крупным достижением в области геодезии является так называемое автономное определение координат точек, расположенных на и вблизи земной поверхности. Слово "автономный" означает, что при производстве наблюдений на определяемом пункте не требуется прямой видимости на соседние пункты.

Автономное определение координат точек выполняется с помощью спутниковых навигационных систем (СНС). В настоящее время функционируют навигационные системы 1-го поколения ЦИКАДА (Россия) и TRANSIT (США) и системы 2-го поколения ГЛОНАСС (Россия) и NAVSTAR (США). Система NAVSTAR имеет и другое название - GPS (Global Positioning System); спутники СНС NAVSTAR (числом около 20) вращаются вокруг Земли по круговым орбитам на высоте около 20000 км. Наземный командно-измерительный комплекс этой системы включает координационно-вычислительный центр, командно-измерительную станцию, несколько станций слежения (Аляска, Калифорния, Гавайские острова и остров Гуам) и станции закладки служебной информации (в штатах Северная Дакота и Калифорния).

При использовании российских навигационных систем координаты определяемых пунктов получаются в системе координат 1942 года (СНС ЦИКАДА) или в системе СГС-90 (СНС ГЛОНАСС), при использовании американских систем - в системе координат WGS-84.

В спутниковых навигационных системах 1-го поколения для определения местоположения используется эффект сдвига частот радиоизлучения движущегося источника (эффект Доплера). Одно наблюдение спутника позволяет написать уравнение одной линии положения, имеющей форму либо гиперболы (доплеровский дифференциальный метод) либо более сложной кривой изодопы (доплеровский интегральный метод). При n наблюдениях положение наблюдателя получается в одной из точек пересечения n соответствующих гипербол или изодоп.

В период с 1987 по 1993 год для общего повышения точности и однородности государственной геодезической сети СССР создана доплеровская геодезическая сеть из 136 пунктов, равномерно расположенных по всей территории.

В спутниковых навигационных системах 2-го поколения измеряются "дальности", то есть, расстояния от определяемой точки до спутников, координаты которых известны на любой момент времени. Геометрическая идея такого определения заключается в нахождении положения точки из линейной пространственной засечки; положение точки фиксируется либо тремя прямоугольными координатами X, Y, Z либо геодезическими координатами на эллипсоиде (широтой B и долготой L) и высотой H над поверхностью эллипсоида.

Поскольку при обработке наблюдений спутников приходится учитывать параметр "время", то для однозначного решения засечки требуется наблюдать 4 спутника, расположенных равномерно по азимуту (через 90 o) и под углом наклона = 40 o - 60 o к горизонту (рис.3).

Области применения СНС для целей геодезии:

• построение общеземной фундаментальной геоцентрической системы координат и поддержание ее на уровне севременных и перспективных требований науки и практики,
• установление единой геодезической системы координат на территории страны,
• изучение деформаций земной поверхности, предваряющих и сопровождающих землетрясения и другие опасные природные явления,
• изучение фигуры и гравитационного поля Земли и их изменений во времени,
• геодезическое обеспечение картографирования территории страны и акваторий окружающих ее морей,
• геодезическое обеспечение проведения земельной реформы, кадастров, строительства, добычи и разведки природных ресурсов,
• метрологическое обеспечение средств и методов определения координат и ориентирования в пространстве.
• определение местоположения транспортных средств на суше, на воде и в воздухе.

Медицина . Самым революционным открытием в медицине XX века стала ультразвуковая диагностика. Результат УЗИ (ультразвуковое исследование) часто является решающим аргументом при постановке диагноза и выборе тактики лечения многих заболеваний.

Доплеровское УЗИ - это неинвазивное исследование, которое может быть использовано для оценки кровотока и давления в сосудах за счет отражения ультразвуковых волн от красных кровяных клеток - эритроцитов. Данный метод диагностирования способен установить скорость кровотока в сосудах, измерением величины изменения частоты волн. Это исследование может быть альтернативой более инвазивным методам, таким как ангиография, артериография или венография, которое выполняется введением контраста в сосуды с последующими рентгеновскими снимками.

Также в наши дни в медицине широко применяется Метод Доплера (Doppler Technique). Это диагностический метод, в котором определение консистенции и структуры тканей основано на изменении частоты ультразвуковых волн, исходящих из тканей различной плотности. Данный метод широко применяется для диагностики опухолей и других поражений мягких тканей, а также для исследования функции сердца и кровотока в периферических артериях, так как в зависимости от изменения относительной скорости кровотока частота звуковых волн меняется. Последнее свойство также используется для исследования маточного и плацентарного кровообращения во время беременности в процессе пренатальной диагностики для определения состояния здоровья плода и его возможных аномалий. Полученные в ходе такого исследования результаты могут потребовать применения дальнейших (инвазивных) диагностических процедур, например, хордоцентеза.

Доплеровское УЗИ может помочь в диагностике многих состояний, включая:

• Сгустки крови - тромбы
• Несостоятельность венозных клапанов в венах ног, что вызывает венозную недостаточность (появляются боли в голенях и отеки)
• Дефекты сердечных клапанов и врожденные сердечные заболевания.
• Окклюзия (закупорка) артерии
• Сужение просвета артерий

Данный способ исследования так же помогает доктору оценить повреждение артерий или мониторировать реконструкцию артерий и шунтов.

6. Вывод

На мой взгляд, тема данной курсовой работы актуальна в настоящее время, поскольку применение описанного физического явления в науке и технике только набирает обороты. Также, чтобы убедиться в том, что эффект Доплера действительно существует, не обязательно быть профессором или физиком. Мы все когда-либо наблюдали это явление - изменение тона гудка приближающегося или удаляющегося поезда. В первом случае он выше, а во втором ниже. Это легко объяснить. Тон звука, слышимый нами, зависит от частоты звуковой волны, доходящей до уха. Если источник звука движется нам навстречу, то гребень каждой следующей волны приходит чуть быстрее, так как был испущен уже ближе к нам. Волны воспринимаются ухом, как более частые, то есть звук кажется выше. При удалении источника звука, каждая следующая волна испускается чуть дальше и доходит до нас чуть позднее предыдущей, а мы ощущаем более низкий звук.Сами того, возможно, не сознавая, мы при этом наблюдаем основное и, по-моему мнению, самое полезное свойство волн. То же самое происходит, если движется не источник звука, а мы сами. Если мы набегаем на волну, её гребни пересекаем чаще, и звук кажется выше. Если убегаем от волны - наоборот. То есть не важно - движется источник или приёмник звука. Для наблюдения эффекта Доплера главное - их движение относительно друг друга. Этот эффект наблюдается не только для звука, а и для волн любой частоты - световых и даже радиоактивного излучения.

Длина волны или частота наблюдаемого света может не совпадать с соответствующими длинами волн или частотами света, излучаемого атомом. Точнее, воспринимаемая частота или длина волны зависит не только от внутриатомных процессов, их обусловливающих, но также и от той системы координат, с которой связаны наблюдающие аппараты. Частота волнового процесса будет различной, если её оценивать с помощью аппаратов, неподвижных относительно источника или движущихся по отношению к нему.

Эффект Доплера в акустике объясняется тем, что частота колебаний, воспринимаемых приемником, определяется скоростями движения источника колебаний и приемника относительно среды, в которой происходит распространение звуковых волн. Эффект Доплера наблюдается также и при движении относительно друг друга источника и приемника электромагнитных волн. Так как особой среды, служащей носителем электромагнитных волн, не существует, то частота световых волн, воспринимаемых приемником (наблюдателем), определяется только относительной скоростью источника и приемника (наблюдателя). Закономерности эффекта Доплера для электромагнитных волн устанавливаются на основе специальной теории относительности.

Скорость распространения волны определяется только свойствами среды, в которой она распространяется, - источник же волны никакой роли больше не играет. По поверхности воды, например, волны, возбудившись, далее распространяются лишь в силу взаимодействия сил давления, поверхностного натяжения и гравитации. Акустические же волны распространяются в воздухе (и иных звукопроводящих средах) в силу направленной передачи перепада давлений. И ни один из механизмов распространения волн не зависит от источника волны. Отсюда и эффект Доплера.

Самое поразительное, что эффект Доплера работает и в случае, когда частоты колебаний огромны, как в случае радиоактивного излучения, а относительные скорости источника и поглотителя - всего миллиметры в секунду. То есть энергия гамма-квантов меняется за счёт эффекта Доплера на очень незначительную величину. Это используется в спектрометрах ядерного гамма резонанса (мёссбауэровских спектрометрах).

Для астрономов изобретен телескоп, который работает в видимом диапазоне, но находится за пределами земной атмосферы и не мешает наблюдениям. За время своей работы космический телескоп передал на землю 700 тыс. великолепных фотографий. Он, помог астрономам определить точный возраст нашей Вселенной – 13,7 млрд. лет; помог подтвердить существование во Вселенной странной, но оказывающей огромное влияние, формы энергии – темной энергии; доказал существование сверхмассивных черных дыр; удивительно четко заснял падение кометы на Юпитер; показал, что процесс формирования планетных систем является широко распространенным в нашей Галактике; обнаружил небольшие протогалактики, зарегистрировав излучение, испущенное ими, когда возраст Вселенной составлял менее 1 млрд. лет.

Наиболее распространенными в жизни примерами использования описанного в данной курсовой работе эффект Доплера являются:

· детектор движения в охранных системах.

· измерители течения

· радары милиционеров

· доплеровское УЗИ

· измерение силы ветра и скорости облаков в метеорологии

· ультразвуковая диагностика в медицине

· автомобильные сигнализации

· различные навигаторы движения и др.

7. Литература.

1.Соросовский образовательный журнал, том 7, №10, 2001

2. Краткий справочник по физике. – 2-е изд. – М.: Высшая школа, 1976;

3. Эффект Доплера в преломляющей среде, «Изв. АН СССР. Серия физическая», 1942, №1-2;Енохович А.С.;

4. Курс физики: учеб. пособие для вузов / Т.И. Трофимова. -7-е изд., стер. .: М: «Высшая школа», 2001;

5. Б.М.Яворский, А.А.Пинский, "Основы физики. Том 2. Колебания и волны. Квантовая физика", Наука, 1981

6. www.wikipedia.ru

7. www.elementy.ru

8. www.sciteclibrary.ru