Kesan Doppler ialah perubahan dalam panjang dan kekerapan gelombang yang direkodkan oleh penerima, yang menyebabkan pergerakan sumbernya atau penerima itu sendiri. Kesannya menerima nama ini sebagai penghormatan kepada Christian Doppler, yang menemuinya. Hipotesis itu kemudiannya dibuktikan dengan kaedah eksperimen oleh saintis Belanda Christian Ballot, yang meletakkan pita tembaga di dalam gerabak kereta api terbuka dan mengumpulkan sekumpulan pemuzik paling berbakat di atas platform. Apabila sebuah gerabak dengan orkestra melintas di sebelah platform, para pemuzik memainkan nota, dan para pendengar menulis di atas kertas apa yang mereka dengar. Seperti yang dijangkakan, persepsi pic bergantung secara langsung pada , seperti yang dinyatakan oleh undang-undang Doppler.
Tindakan kesan Doppler
Fenomena ini dijelaskan secara ringkas. Nada bunyi sesuatu bunyi dipengaruhi oleh kekerapan gelombang bunyi yang sampai ke telinga. Apabila sumber bunyi bergerak ke arah seseorang, setiap gelombang berikutnya datang lebih cepat dan lebih pantas. Telinga menganggap gelombang sebagai lebih kerap, menjadikan bunyi itu kelihatan bernada lebih tinggi. Tetapi apabila sumber bunyi bergerak menjauh, gelombang berikutnya dipancarkan lebih jauh dan sampai ke telinga lebih lambat daripada yang sebelumnya, itulah sebabnya bunyi itu dirasakan lebih rendah.
Fenomena ini berlaku bukan sahaja semasa pergerakan sumber bunyi, tetapi juga semasa pergerakan seseorang. "Berlari" ke dalam gelombang, seseorang melintasi puncaknya lebih kerap, merasakan bunyi itu lebih tinggi, dan menjauhi gelombang - sebaliknya. Oleh itu, kesan Doppler tidak bergantung pada pergerakan sumber bunyi atau penerimanya secara berasingan. Persepsi bunyi yang sepadan berlaku apabila mereka bergerak secara relatif antara satu sama lain, dan kesan ini adalah ciri bukan sahaja gelombang bunyi, tetapi juga sinaran cahaya dan radioaktif.
Penggunaan kesan Doppler
Kesan Doppler tidak pernah berhenti bermain sangat peranan penting dalam pelbagai bidang sains dan aktiviti manusia. Dengan bantuannya, ahli astronomi dapat mengetahui bahawa alam semesta sentiasa berkembang, dan bintang "lari" dari satu sama lain. Juga, kesan Doppler membolehkan anda menentukan parameter gerakan kapal angkasa dan planet. Ia juga menjadi asas untuk operasi radar yang digunakan oleh pegawai polis trafik untuk kereta. Kesan yang sama digunakan pakar perubatan, yang menggunakan alat ultrasound untuk membezakan urat daripada arteri semasa suntikan.
Anda mungkin perasan bahawa nada siren trak bomba, yang bergerak pada kelajuan tinggi, jatuh dengan mendadak selepas kenderaan itu melepasi anda. Anda mungkin juga perasan perubahan dalam nada isyarat kereta yang memandu melepasi anda pada kelajuan tinggi.
Padang enjin kereta lumba juga berubah apabila ia melepasi pemerhati. Jika sumber bunyi menghampiri pemerhati, pic bunyi meningkat berbanding semasa sumber bunyi dalam keadaan rehat. Jika sumber bunyi bergerak menjauhi pemerhati, maka pic bunyi itu berkurangan. Fenomena ini dipanggil kesan Doppler dan berlaku untuk semua jenis gelombang. Sekarang mari kita pertimbangkan sebab-sebab kejadiannya dan kirakan perubahan dalam frekuensi gelombang bunyi akibat kesan ini.
nasi. 1
Mari kita pertimbangkan, untuk tujuan konkrit, sebuah trak bomba yang sirennya, apabila kenderaan itu tidak bergerak, mengeluarkan bunyi dengan frekuensi tertentu ke semua arah, seperti yang ditunjukkan dalam Rajah. 1. Sekarang biarkan trak bomba mula bergerak dan siren terus mengeluarkan gelombang bunyi pada frekuensi yang sama. Walau bagaimanapun, semasa memandu, gelombang bunyi yang dikeluarkan oleh siren ke hadapan akan lebih rapat berbanding jika kereta itu tidak bergerak, seperti yang ditunjukkan dalam Rajah. 2. 
nasi. 2
Ini berlaku kerana, semasa pergerakannya, trak bomba "mengejar" dengan ombak yang dipancarkan sebelum ini. Oleh itu, pemerhati di sepanjang jalan akan perasan bilangan yang lebih besar puncak gelombang yang melaluinya setiap unit masa, dan, oleh itu, untuk itu frekuensi bunyi akan lebih tinggi. Sebaliknya, ombak yang merambat di belakang kereta akan menjadi lebih jauh antara satu sama lain, kerana kereta itu seolah-olah "berpisah" daripada mereka. Akibatnya, setiap unit masa, lebih sedikit puncak gelombang akan melalui pemerhati di belakang kereta, dan pic bunyi akan menjadi lebih rendah.
Untuk mengira perubahan kekerapan, kami menggunakan Rajah. 3 dan 4. Kami akan menganggap bahawa dalam kerangka rujukan kami udara (atau medium lain) berada dalam keadaan tenang. Dalam Rajah. 3 Sumber bunyi (contohnya, siren) dalam keadaan rehat. 
Dua puncak gelombang berturut-turut ditunjukkan, dengan salah satu daripadanya hanya dipancarkan oleh sumber bunyi. Jarak antara puncak ini adalah sama dengan panjang gelombang λ
. Jika frekuensi getaran sumber bunyi ialah f, maka masa berlalu antara pancaran puncak gelombang adalah sama dengan T = 1/f.
Dalam Rajah. 4 sumber bunyi bergerak dengan laju v sumber. semasa T(ia baru ditentukan) puncak pertama gelombang akan pergi jauh d = vT, Di mana v− kelajuan gelombang bunyi di udara (yang, sudah tentu, akan sama tanpa mengira sama ada sumbernya bergerak atau tidak). Pada masa yang sama, sumber bunyi akan bergerak jauh d sumber = v sumber T. Kemudian jarak antara puncak gelombang berturut-turut adalah sama dengan panjang gelombang baru λ /
, akan ditulis dalam borang
λ / = d − d sumber = (v − v sumber)T = (v − v sumber)/f,
kerana ia T= 1/f.
Kekerapan f/ ombak diberikan oleh
f / = v/λ / = vf/(v − v sumber),
atau 
Sumber bunyi menghampiri pemerhati dalam keadaan rehat.
Oleh kerana penyebut pecahan itu kurang daripada satu, kita ada f/>f. Contohnya, jika sumber menghasilkan bunyi pada frekuensi 400 Hz, apabila ia dalam keadaan rehat, maka apabila sumber mula bergerak ke arah pemerhati yang berdiri diam, dengan laju 30 m/s, yang terakhir akan mendengar bunyi pada frekuensi (pada suhu 0 °C) 440 Hz.
Panjang gelombang baharu untuk sumber yang bergerak menjauhi pemerhati dengan laju v sumber, akan sama
λ / = d + d sumber
Dalam kes ini, kekerapan f/ diberikan oleh ungkapan 
Sumber bunyi bergerak menjauhi pemerhati dalam keadaan rehat.
Kesan Doppler juga berlaku apabila sumber bunyi dalam keadaan rehat (berbanding dengan medium di mana gelombang bunyi merambat) dan pemerhati bergerak. Jika pemerhati menghampiri sumber bunyi, dia mendengar bunyi yang lebih tinggi daripada bunyi yang dikeluarkan oleh sumber itu. Jika pemerhati bergerak menjauhi sumber, maka bunyi itu kelihatan lebih rendah kepadanya. Secara kuantitatif, perubahan kekerapan di sini berbeza sedikit daripada kes apabila sumber bergerak dan pemerhati dalam keadaan rehat. Dalam kes ini, jarak antara puncak gelombang (panjang gelombang λ
) tidak berubah, tetapi kelajuan pergerakan rabung berbanding pemerhati berubah. Jika pemerhati menghampiri sumber bunyi, maka kelajuan gelombang relatif kepada pemerhati akan sama dengan v / = v + v obs, Di mana v ialah kelajuan perambatan bunyi dalam udara (kita mengandaikan bahawa udara dalam keadaan rehat), dan v obs.− kelajuan pemerhati. Oleh itu, kekerapan baharu akan sama dengan
f / = v / /λ = (v + v obs)/λ,
atau, kerana λ = v/f,
Seorang pemerhati menghampiri sumber bunyi yang tidak bergerak.
Dalam kes apabila pemerhati bergerak menjauhi sumber bunyi, kelajuan relatif akan sama dengan v / = v − v obs, dan kami ada 
Pemerhati bergerak menjauhi sumber bunyi pegun.
Jika gelombang bunyi dipantulkan daripada halangan yang bergerak, maka frekuensi gelombang pantulan akibat kesan Doppler akan berbeza daripada frekuensi gelombang kejadian.
Mari kita lihat ini contoh berikut.
Contoh. Gelombang bunyi dengan frekuensi 5000 Hz dipancarkan ke arah jasad yang menghampiri sumber bunyi dengan laju 3.30 m/s. Apakah frekuensi gelombang yang dipantulkan?
Penyelesaian.
Dalam kes ini, kesan Doppler berlaku dua kali.
Pertama, badan yang diarahkan gelombang bunyi berkelakuan seperti pemerhati yang bergerak dan "mendaftar" gelombang bunyi pada frekuensi
Kedua, jasad kemudiannya bertindak sebagai sumber bunyi sekunder (dipantulkan) yang bergerak sehingga frekuensi gelombang bunyi yang dipantulkan akan menjadi. 
Oleh itu, anjakan kekerapan Doppler adalah sama dengan 100 Hz.
Jika kejadian dan gelombang bunyi yang dipantulkan ditindih antara satu sama lain, superposisi akan berlaku, dan ini akan membawa kepada rentak. Kekerapan rentak adalah sama dengan perbezaan antara frekuensi dua gelombang, dan dalam contoh yang dibincangkan di atas ia akan sama dengan 100 Hz. Manifestasi kesan Doppler ini digunakan secara meluas dalam pelbagai peranti perubatan, yang biasanya menggunakan gelombang ultrasonik dalam julat frekuensi megahertz. Sebagai contoh, gelombang ultrasound yang dipantulkan daripada sel darah merah boleh digunakan untuk menentukan kelajuan aliran darah. Begitu juga, kaedah ini boleh digunakan untuk pengesanan gerakan dada embrio, serta untuk pemantauan jarak jauh degupan jantung.
Perlu diingatkan bahawa kesan Doppler juga merupakan asas kaedah pengesanan radar untuk kenderaan yang melebihi kelajuan yang ditetapkan, tetapi dalam kes ini gelombang elektromagnet (radio) digunakan dan bukannya gelombang bunyi.
Ketepatan hubungan (1 − 2) dan (3 − 4) berkurangan jika v sumber atau v obs. menghampiri kelajuan bunyi. Ini disebabkan oleh fakta bahawa anjakan zarah medium tidak lagi berkadar dengan daya pemulihan, i.e. penyimpangan daripada hukum Hooke akan timbul, sehingga kebanyakan penaakulan teori kita akan kehilangan daya.
Selesaikan masalah berikut.
Masalah 1. Pengeluaran formula am untuk menukar frekuensi bunyi f/ disebabkan oleh kesan Doppler dalam kes apabila kedua-dua sumber dan pemerhati bergerak.
Masalah 2. DALAM keadaan biasa kelajuan aliran darah dalam aorta adalah lebih kurang sama dengan 0.28 m/s. Gelombang ultrasonik dengan frekuensi diarahkan sepanjang aliran 4.20 MHz. Gelombang ini dipantulkan daripada sel darah merah. Apakah kekerapan rentak yang diperhatikan? Pertimbangkan bahawa kelajuan gelombang ini adalah sama dengan 1.5 × 10 3 m/s, iaitu hampir dengan kelajuan bunyi dalam air.
Masalah 3. Kesan Doppler untuk gelombang ultrasonik pada frekuensi 1.8 MHz digunakan untuk memantau kadar denyutan jantung janin. Kekerapan rentak yang diperhatikan (maksimum) ialah 600 Hz. Dengan mengandaikan bahawa kelajuan perambatan bunyi dalam tisu adalah sama dengan 1.5 × 10 3 m/s, kira kelajuan permukaan maksimum jantung yang berdegup.
Masalah 4. Bunyi hon kilang mempunyai frekuensi 650 Hz. Jika angin utara bertiup dengan laju 12.0 m/s, maka bunyi frekuensi berapakah yang akan didengari oleh pemerhati dalam keadaan rehat, terletak a) ke utara, b) ke selatan, c) ke timur dan d) ke barat buzzer? Apakah bunyi frekuensi yang akan didengari oleh penunggang basikal apabila menghampiri dengan laju? 15 m/s ke wisel e) dari utara atau f) dari barat? Suhu udara ialah 20 °C.
Masalah 5. Wisel berayun pada kekerapan 500 Hz, bergerak dalam bulatan dengan jejari 1m, melakukan 3 revolusi sesaat. Tentukan frekuensi tertinggi dan terendah yang dirasakan oleh pemerhati pegun pada satu jarak 5 m dari pusat bulatan. Kelajuan bunyi dalam udara diambil sama dengan 340 m/s.
– fenomena yang paling penting dalam fizik gelombang. Sebelum pergi terus ke inti perkara, sedikit teori pengenalan.
Teragak-agak– ke satu darjah atau yang lain, proses berulang untuk mengubah keadaan sistem di sekeliling kedudukan keseimbangan. ombak- ini adalah ayunan yang boleh bergerak dari tempat asalnya, merebak dalam medium. Gelombang dicirikan amplitud, panjang Dan kekerapan. Bunyi yang kita dengar ialah gelombang, i.e. getaran mekanikal zarah udara yang merambat daripada sumber bunyi.
Berbekalkan maklumat tentang gelombang, mari kita beralih kepada kesan Doppler. Dan jika anda ingin mengetahui lebih lanjut tentang getaran, gelombang dan resonans, selamat datang ke blog kami.
Intipati kesan Doppler
Contoh paling popular dan mudah yang menerangkan intipati kesan Doppler ialah pemerhati pegun dan kereta dengan siren. Katakan anda berdiri di perhentian bas. Ambulans dengan siren dihidupkan sedang menuju ke jalan ke arah anda. Kekerapan bunyi yang anda akan dengar semasa kereta menghampiri tidak sama.
Bunyi pada mulanya akan menjadi frekuensi yang lebih tinggi apabila kereta berhenti. Anda akan mendengar frekuensi sebenar bunyi siren, dan kekerapan bunyi akan berkurangan apabila anda bergerak pergi. Itulah yang berlaku Kesan Doppler.
Kekerapan dan panjang gelombang sinaran yang dirasakan oleh pemerhati berubah disebabkan oleh pergerakan sumber sinaran.
Jika Cap ditanya siapa yang menemui kesan Doppler, dia akan menjawab tanpa teragak-agak bahawa Doppler melakukannya. Dan dia akan betul. Fenomena ini, secara teorinya dibuktikan dalam 1842 tahun oleh ahli fizik Austria Christian Doppler, kemudiannya dinamakan sempena namanya. Doppler sendiri memperoleh teorinya dengan memerhatikan riak di atas air dan mencadangkan bahawa pemerhatian boleh digeneralisasikan kepada semua gelombang. Ia kemudiannya mungkin untuk mengesahkan kesan Doppler secara eksperimen untuk bunyi dan cahaya.
Di atas kita melihat contoh kesan Doppler untuk gelombang bunyi. Walau bagaimanapun, kesan Doppler bukan sahaja benar untuk bunyi. Disana ada:
- Kesan Doppler Akustik;
- Kesan Doppler Optik;
- Kesan Doppler untuk gelombang elektromagnet;
- Kesan Doppler relativistik.
Percubaan dengan gelombang bunyi yang membantu memberikan pengesahan percubaan pertama bagi kesan ini.
Pengesahan eksperimen kesan Doppler
Pengesahan ketepatan penaakulan Christian Doppler dikaitkan dengan salah satu eksperimen fizikal yang menarik dan luar biasa. DALAM 1845 ahli meteorologi dari Belanda Undi Kristian mengambil lokomotif berkuasa dan orkestra yang terdiri daripada pemuzik dengan nada yang sempurna. Beberapa pemuzik - mereka adalah peniup trompet - menunggang di kawasan terbuka kereta api dan sentiasa memainkan nota yang sama. Katakan ia adalah A daripada oktaf kedua.
Pemuzik lain berada di stesen itu mendengar apa yang dimainkan oleh rakan sekerja mereka. Pendengaran mutlak semua peserta dalam eksperimen mengurangkan kemungkinan ralat kepada minimum. Eksperimen berlangsung dua hari, semua orang letih, banyak arang dibakar, tetapi hasilnya berbaloi. Ternyata pic bunyi sangat bergantung pada kelajuan relatif sumber atau pemerhati (pendengar).
Penggunaan kesan Doppler
Salah satu aplikasi yang paling terkenal ialah menentukan kelajuan objek bergerak menggunakan penderia kelajuan. Isyarat radio yang dihantar oleh radar dipantulkan dari kereta dan dikembalikan semula. Dalam kes ini, kekerapan mengimbangi di mana isyarat kembali secara langsung berkaitan dengan kelajuan mesin. Dengan membandingkan perubahan kelajuan dan kekerapan, kelajuan boleh dikira.
Kesan Doppler digunakan secara meluas dalam perubatan. Operasi peranti adalah berdasarkannya diagnostik ultrasound. Terdapat teknik berasingan dalam ultrasound dipanggil Dopplerografi.
Kesan Doppler juga digunakan dalam optik, akustik, elektronik radio, astronomi, radar.
By the way! Untuk pembaca kami kini terdapat diskaun 10% pada
Penemuan kesan Doppler memainkan peranan penting dalam pembangunan fizik moden. Salah satu pengesahan teori big bang adalah berdasarkan kesan ini. Bagaimanakah kesan Doppler dan Big Bang berkaitan? Menurut teori Big Bang, Alam Semesta berkembang.
Apabila memerhati galaksi jauh, peralihan merah diperhatikan - peralihan garis spektrum ke bahagian merah spektrum. Menjelaskan anjakan merah menggunakan kesan Doppler, kita boleh membuat kesimpulan yang konsisten dengan teori: galaksi bergerak menjauhi satu sama lain, Alam Semesta berkembang.
Formula untuk kesan Doppler
Apabila teori kesan Doppler dikritik, salah satu hujah penentang saintis adalah fakta bahawa teori itu terkandung hanya pada lapan muka surat, dan terbitan formula kesan Doppler tidak mengandungi pengiraan matematik yang rumit. Pada pendapat kami, ini hanya kelebihan!
biarlah u – kelajuan penerima berbanding medium, v – kelajuan sumber gelombang berbanding medium, Dengan - kelajuan perambatan gelombang dalam medium, w0 - frekuensi gelombang sumber. Kemudian formula untuk kesan Doppler itu sendiri kes am akan kelihatan seperti ini:
Di sini w – kekerapan yang akan dirakam oleh penerima.
Kesan Doppler relativistik
Berbeza dengan kesan Doppler klasik, apabila gelombang elektromagnet merambat dalam vakum, untuk mengira kesan Doppler, SRT harus digunakan dan pelebaran masa relativistik harus diambil kira. Biarkan cahaya - Dengan , v – kelajuan sumber berbanding penerima, theta – sudut antara arah ke sumber dan vektor halaju yang berkaitan dengan sistem rujukan penerima. Kemudian formula untuk kesan Doppler relativistik akan kelihatan seperti:
Hari ini kita bercakap tentang kesan terpenting dunia kita - kesan Doppler. Adakah anda ingin belajar bagaimana untuk menyelesaikan masalah kesan Doppler dengan cepat dan mudah? Tanya mereka dan mereka akan gembira untuk berkongsi pengalaman mereka! Dan pada akhirnya - sedikit lagi tentang teori Big Bang dan kesan Doppler.
Dalam akustik, perubahan frekuensi akibat kesan Doppler ditentukan oleh kelajuan pergerakan sumber dan penerima berbanding medium, yang merupakan pembawa gelombang bunyi (lihat formula (103.2)). Kesan Doppler juga wujud untuk gelombang cahaya. Walau bagaimanapun, tiada medium khas yang akan berfungsi sebagai pembawa gelombang elektromagnet. Oleh itu, anjakan Doppler bagi frekuensi gelombang cahaya hanya ditentukan oleh kelajuan relatif sumber dan penerima.
Mari kita kaitkan asal koordinat sistem K dengan sumber cahaya, dan asal koordinat sistem K dengan penerima (Rajah 151.1). Mari kita arahkan paksi, seperti biasa, di sepanjang vektor halaju v yang dengannya sistem K (iaitu, penerima) bergerak secara relatif kepada sistem K (iaitu, sumber). Persamaan gelombang cahaya satah yang dipancarkan oleh sumber ke arah penerima akan mempunyai bentuk dalam sistem K
Di sini dan ialah kekerapan gelombang ditetapkan dalam bingkai rujukan yang dikaitkan dengan sumber, iaitu, kekerapan sumber berayun. Kami menganggap bahawa gelombang cahaya bergerak dalam vakum; oleh itu halaju fasa adalah sama dengan c.
Mengikut prinsip relativiti, undang-undang alam mempunyai bentuk yang sama dalam semua kerangka rujukan inersia. Akibatnya, dalam sistem K, gelombang (151.1) diterangkan oleh persamaan
di manakah kekerapan yang direkodkan dalam sistem rujukan K, iaitu, kekerapan yang dirasakan oleh penerima. Kami telah menetapkan semua kuantiti kecuali c, yang sama dalam semua sistem rujukan.
Persamaan gelombang dalam sistem K boleh didapati daripada persamaan dalam sistem K, lulus daripada menggunakan transformasi Lorentz.
Menggantikan dalam dan t mengikut formula (63.16) jilid 1, kita perolehi
(peranan dimainkan oleh v). Ungkapan terakhir boleh dengan mudah dikurangkan kepada bentuk
Persamaan (151.3) menerangkan gelombang yang sama dalam sistem K sebagai persamaan (151.2). Oleh itu hubungan itu mesti dipuaskan
Mari kita ubah tatatanda: kita menandakan frekuensi sumber c dengan dan frekuensi penerima dengan . Akibatnya, formula akan mengambil bentuk
Bergerak dari frekuensi bulat ke frekuensi biasa, kita dapat
(151.5)
Kelajuan penerima relatif kepada sumber, yang muncul dalam formula (151.4) dan (151.5), ialah kuantiti algebra. Apabila penerima bergerak menjauh dan sewajarnya apabila penerima mendekati sumber, begitu juga
Jika formula (151.4) boleh ditulis lebih kurang seperti berikut:
Dari sini, menyekat diri kita kepada syarat perintah, kita dapat
(151.6)
Daripada formula ini anda boleh mencari perubahan relatif dalam kekerapan:
(151.7)
(yang dimaksudkan dengan ).
Ia boleh ditunjukkan bahawa, sebagai tambahan kepada kesan longitudinal yang kami pertimbangkan, terdapat juga kesan Doppler melintang untuk gelombang cahaya. Ia terdiri daripada pengurangan dalam frekuensi yang dirasakan oleh penerima, diperhatikan dalam kes apabila vektor halaju relatif diarahkan berserenjang dengan garisan yang melalui penerima dan sumber (apabila, sebagai contoh, sumber bergerak dalam bulatan di tengah). yang mana penerima diletakkan).
Dalam kes ini, frekuensi dalam sistem sumber berkaitan dengan frekuensi dalam sistem penerima oleh hubungan
Perubahan relatif dalam kekerapan disebabkan oleh kesan Doppler melintang
berkadar dengan kuasa dua nisbah dan oleh itu kurang ketara berbanding dengan kesan membujur, yang mana perubahan relatif dalam kekerapan adalah berkadar dengan kuasa pertama
Kewujudan kesan Doppler melintang telah dibuktikan secara eksperimen oleh Ives pada tahun 1938. Dalam eksperimen Ives, perubahan dalam frekuensi sinaran atom hidrogen dalam rasuk saluran telah ditentukan (lihat perenggan terakhir § 85). Kelajuan atom adalah kira-kira 106 m/s. Eksperimen ini mewakili pengesahan percubaan langsung tentang kesahihan transformasi Lorentz.
Secara umum, vektor halaju relatif boleh diuraikan kepada dua komponen, satu daripadanya diarahkan sepanjang sinar, dan satu lagi berserenjang dengan sinar. Komponen pertama akan menentukan longitudinal, yang kedua - kesan Doppler melintang.
Kesan Doppler membujur digunakan untuk menentukan halaju jejari bintang. Dengan mengukur anjakan relatif garis dalam spektrum bintang, kita boleh menggunakan formula (151.4) untuk menentukan
Pergerakan terma molekul gas bercahaya membawa, disebabkan oleh kesan Doppler, kepada pelebaran garis spektrum. Oleh kerana sifat pergerakan terma yang huru-hara, semua arah halaju molekul relatif kepada spektrograf adalah sama berkemungkinan. Oleh itu, sinaran yang direkodkan oleh peranti mengandungi semua frekuensi yang terkandung dalam selang dari ke mana frekuensi yang dipancarkan oleh molekul, v ialah kelajuan gerakan terma (lihat formula (151.6)). Oleh itu, lebar garis spektrum yang direkodkan ialah Nilai
(151.10)
dipanggil lebar Doppler bagi garis spektrum (v bermaksud kelajuan molekul yang paling berkemungkinan). Dengan magnitud pelebaran garis spektrum Doppler, seseorang boleh menilai kelajuan pergerakan terma molekul, dan, akibatnya, suhu gas bercahaya.
Kekerapan gelombang yang dirasakan bergantung pada kelajuan relatif sumbernya.
Anda mungkin sekurang-kurangnya sekali dalam hidup anda berpeluang berdiri di tepi jalan di mana sebuah kereta dengan isyarat khas dan siren sedang melintas. Apabila lolongan siren menghampiri, nadanya lebih tinggi, kemudian, apabila kereta itu sampai kepada anda, ia merendahkan, dan akhirnya, apabila kereta mula bergerak, ia semakin merendahkan, dan anda mendapat kebiasaan: yyyyyyyyyyyyyyyyyy yyyyyymmmmmmmmm—kira-kira begitu skala. Mungkin tanpa disedari, anda sedang memerhatikan sifat gelombang yang paling asas (dan paling berguna).
Gelombang pada umumnya adalah sesuatu yang pelik. Bayangkan botol kosong berjuntai dekat pantai. Dia berjalan ke atas dan ke bawah, tidak menghampiri pantai, manakala air kelihatan deras ke pantai dalam gelombang. Tetapi tidak - air (dan botol di dalamnya) kekal di tempatnya, berayun hanya dalam satah berserenjang dengan permukaan takungan. Dalam erti kata lain, gerakan medium di mana gelombang merambat tidak sepadan dengan gerakan gelombang itu sendiri. Sekurang-kurangnya, peminat bola sepak telah mempelajari perkara ini dengan baik dan belajar menggunakannya dalam amalan: apabila menghantar "gelombang" di sekitar stadium, mereka sendiri tidak berlari ke mana-mana, mereka hanya bangun dan duduk mengikut giliran mereka, dan "gelombang" (di UK fenomena ini biasanya dipanggil "gelombang Mexico" ") berjalan di sekitar tempat berdiri.
Gelombang biasanya diterangkan kekerapan(bilangan puncak gelombang sesaat pada titik cerapan) atau panjang(jarak antara dua rabung atau lembah yang bersebelahan). Kedua-dua ciri ini berkaitan antara satu sama lain melalui kelajuan perambatan gelombang dalam medium, oleh itu, mengetahui kelajuan perambatan gelombang dan salah satu ciri gelombang utama, anda boleh mengira yang lain dengan mudah.
Apabila gelombang telah bermula, kelajuan perambatannya hanya ditentukan oleh sifat-sifat medium di mana ia merambat - sumber gelombang tidak lagi memainkan sebarang peranan. Di permukaan air, contohnya, ombak, sekali teruja, kemudian merambat hanya disebabkan oleh interaksi daya tekanan, tegangan permukaan dan graviti. Gelombang akustik merambat di udara (dan media pengalir bunyi lain) disebabkan oleh penghantaran arah perbezaan tekanan. Dan tiada mekanisme perambatan gelombang bergantung pada sumber gelombang. Oleh itu kesan Doppler.
Mari kita fikirkan semula tentang contoh siren raungan. Mari kita anggap dahulu bahawa kenderaan khas itu tidak bergerak. Bunyi dari siren sampai kepada kami kerana membran elastik di dalamnya secara berkala bertindak ke atas udara, mewujudkan mampatan di dalamnya - kawasan tekanan darah tinggi, - berselang seli dengan rarefaction. Puncak mampatan—"puncak" gelombang akustik—merambat melalui medium (udara) sehingga ia sampai ke telinga kita dan menjejaskan gegendang telinga, dari mana isyarat akan dihantar ke otak kita (beginilah cara pendengaran berfungsi). Kami secara tradisinya memanggil kekerapan getaran bunyi yang kami anggap sebagai nada atau pic: contohnya, frekuensi getaran 440 hertz sesaat sepadan dengan nota "A" oktaf pertama. Jadi, sementara kenderaan khas itu tidak bergerak, kita akan terus mendengar nada isyaratnya yang tidak berubah.
Tetapi sebaik sahaja kenderaan khas mula bergerak ke arah anda, kesan baharu akan ditambah. Sepanjang masa dari pelepasan satu puncak gelombang ke seterusnya, kereta akan bergerak agak jauh ke arah anda. Disebabkan ini, punca setiap puncak gelombang berikutnya akan lebih dekat. Akibatnya, ombak akan sampai ke telinga anda lebih kerap berbanding ketika kereta tidak bergerak, dan nada bunyi yang anda rasa akan meningkat. Dan, sebaliknya, jika kenderaan khas bergerak ke arah yang bertentangan, puncak gelombang akustik akan sampai ke telinga anda kurang kerap, dan frekuensi bunyi yang dirasakan akan berkurangan. Ini adalah penjelasan mengapa apabila kereta dengan isyarat khas melalui anda, nada siren berkurangan.
Kami mengkaji kesan Doppler berhubung dengan bunyi ombak, tetapi ia terpakai sama kepada mana-mana yang lain. Jika sumber cahaya nampak menghampiri kita, panjang gelombang yang kita lihat akan dipendekkan, dan kita memerhatikan apa yang dipanggil anjakan ungu(daripada semua warna yang boleh dilihat Gamut spektrum cahaya sepadan dengan ungu dengan panjang gelombang terpendek). Jika sumber bergerak menjauh, terdapat peralihan yang jelas ke arah bahagian merah spektrum (pemanjangan gelombang).
Kesan ini dinamakan sempena Christian Johann Doppler, yang pertama kali meramalkannya secara teori. Kesan Doppler telah menarik minat saya sepanjang hidup saya kerana cara ia pertama kali diuji secara eksperimen. Saintis Belanda Christian Buys Ballot (1817-1870) meletakkan band tembaga dalam gerabak kereta api terbuka, dan di atas platform mengumpulkan sekumpulan pemuzik dengan nada mutlak. (Nada yang sempurna ialah keupayaan, selepas mendengar nota, untuk menamakannya dengan tepat.) Setiap kali kereta api dengan gerabak muzik melewati platform, kumpulan brass memainkan nota, dan pemerhati (pendengar) mencatat skor muzik yang mereka dengar. Seperti yang dijangkakan, nada jelas bunyi itu secara langsung bergantung pada kelajuan kereta api, yang, sebenarnya, telah diramalkan oleh undang-undang Doppler.
Kesan Doppler mendapati aplikasi yang luas baik dalam sains mahupun dalam kehidupan seharian. Di seluruh dunia ia digunakan dalam radar polis untuk menangkap dan mendenda pelanggar peraturan. lalu lintas melebihi kelajuan. Senapang radar memancarkan isyarat gelombang radio (biasanya dalam julat VHF atau gelombang mikro) yang memantulkan badan logam kereta anda. Isyarat tiba kembali ke radar dengan anjakan frekuensi Doppler, yang nilainya bergantung pada kelajuan kenderaan. Dengan membandingkan frekuensi isyarat keluar dan masuk, peranti secara automatik mengira kelajuan kereta anda dan memaparkannya pada skrin.
Kesan Doppler menemui aplikasi yang agak esoterik dalam astrofizik: khususnya, Edwin Hubble, buat kali pertama mengukur jarak ke galaksi berdekatan dengan teleskop baharu, secara serentak menemui anjakan Doppler merah dalam spektrum sinaran atomnya, dari mana ia telah membuat kesimpulan bahawa galaksi bergerak menjauhi kita ( cm. Hukum Hubble). Sebenarnya, ini adalah kesimpulan yang jelas seolah-olah anda, setelah menutup mata anda, tiba-tiba mendengar bahawa nada enjin kereta model yang anda kenali adalah lebih rendah daripada yang diperlukan, dan membuat kesimpulan bahawa kereta itu bergerak menjauhi awak. Apabila Hubble juga mendapati bahawa semakin jauh galaksi, semakin kuat anjakan merah (dan semakin pantas ia terbang menjauhi kita), ia menyedari bahawa Alam Semesta sedang mengembang. Ini adalah langkah pertama ke arah teori Big Bang - dan ini adalah perkara yang lebih serius daripada kereta api dengan band tembaga.
Christian Johann Doppler, 1803-53
ahli fizik Austria. Dilahirkan di Salzburg dalam keluarga tukang batu. Dia lulus dari Institut Politeknik di Vienna dan kekal di sana dalam jawatan pengajar rendah sehingga 1835, apabila dia menerima tawaran untuk mengetuai jabatan matematik di Universiti Prague, yang pada saat terakhir memaksanya untuk meninggalkan keputusan jangka panjangnya untuk berhijrah ke Amerika, putus asa untuk mencapai pengiktirafan dalam kalangan akademik di rumah. Beliau menamatkan kerjayanya sebagai profesor di Royal Imperial University of Vienna.
