Ефект Доплера

Матеріал з Вікіпедії — вільної енциклопедії.
Перейти до: навігація, пошук
Ілюстрація зростання частоти в напрямку руху й зменшення в протилежному напрямку

Ефект Доплера — явище зміни частоти хвилі, яку реєструє приймач, викликане переміщенням джерела або приймача.

Ефект названий на честь австрійського фізика Крістіана Доплера.

Виходячи з власних спостережень за хвилями на воді, Доплер припустив, що подібні явища відбуваються в повітрі з іншими хвилями. На підставі хвильової теорії він в 1842 році вивів, що наближення джерела світла до спостерігача збільшує спостережувану частоту, віддалення зменшує її. Доплер теоретично обгрунтував залежність частоти звукових і світлових коливань, що сприймаються спостерігачем, від швидкості і напряму руху джерела хвиль і спостерігача відносно один одного.

Доплер використав цей принцип в астрономії і провів паралель між акустичним і оптичним явищами. Він вважав, що всі зірки випромінюють біле світло, однак колір змінюється через їх рух до або від Землі (цей ефект для розглянутих Доплера подвійних зірок дуже малий). Хоча зміни в кольорі неможливо було спостерігати з обладнанням того часу, теорія про звук була перевірена вже в 1845 році. Тільки відкриття спектрального аналізу дало можливість експериментальної перевірки ефекту в оптиці.

Експериментальна перевірка[ред.ред. код]

У 1845 році голландський метеоролог, іноземний член-кореспондент Петербурзької академії наук Христофор Бейс-Баллот (18171890) вирішив перевірити гіпотезу Доплера. Він найняв паровоз з вантажною платформою, посадив на платформу двох сурмачів і попросив їх тримати ноту соль (два сурмачі були потрібні для того, щоб один з них міг набирати повітря, поки інший тягне ноту, і таким чином звук би не уривався). На пероні одного полустанка між Утрехтом і Амстердамом Бейс-Баллот розмістив декількох музикантів без інструментів, але з абсолютним музичним слухом. Після чого паровоз став з різною швидкістю тягати платформу з сурмачами повз перон із слухачами, а ті відзначали, яку саме ноту вони чують. Потім спостерігачів змусили їздити, а сурмачі грали, стоячи на пероні. Досліди тривали два дні, в результаті чого був доведений ефект відкритий Доплером.

Пряме підтвердження формул Доплера для світлових хвиль було отримано Г. Фогелем в 1871 році шляхом порівняння положень ліній Фраунгофера в спектрах, отриманих від протилежних країв сонячного екватора. Відносна швидкість країв, розрахована за значеннями виміряних Г. Фогелем спектральних інтервалів, виявилася близька до швидкості, розрахованої за зміщення сонячних плям [1].


Рухоме джерело[ред.ред. код]

,

де ν частота хвилі, яку фіксує нерухомий спостерігач,  — частота коливань у рухомому джерелі, s — швидкість розповсюдження хвилі, u — швидкість джерела. Знак залежить від напрямку руху джерела відносно спостерігача.

Частота хвилі, яку фіксує спостерігач зростає, якщо джерело рухається до нього, й зменшується, якщо джерело рухається від спостерігача.

Рухомий спостерігач[ред.ред. код]

Ситуація, коли рухається спостерігач, загалом не аналогічна руху джерела, бо хвилі розповсюджуються в певному середовищі. В такому випадку існують три системи відліку, пов'язані з середовищем, джерелом і спостерігачем.

При нерухомому відносно середовища джерелі спостерігач, який рухається із швидкістю V фіксуватиме хвилі на частоті

У випадку, коли рухаються і джерело й спостерігач

.

Електромагнітні хвилі[ред.ред. код]

У випадку електромагнітних хвиль у порожнечі ситуація змінюється, оскільки середовища розповсюдження хвилі не існує. Відносна швидкість джерела й спостерігача залишається єдиною характеристикою руху.

,

де c — швидкість світла.

Використання[ред.ред. код]

Нерухоме джерело звуку виробляє звукові хвилі за сталої частоти F, а хвильові фронти поширюються симетрично від джерела з постійною швидкістю С. Усі спостерігачі будуть чути ту ж частоту, яка буде дорівнювати дійсній частоті джерела, де F = f0.

Ефект Доплера використовується в радіолокації для розпізнавання рухомих об'єктів, наприклад, літаків, на фоні нерухомих (гір, хмар). За червоним зміщенням світла від астрономічних об'єктів, вимірюється їхня швидкість і розраховується відстань до них. Ефект Доплера широко використовується в медицині. На базі ефекту створені комп'ютерні комплекси ультразвукової доплерографії. Зміна характеристик ультразвуку при проходженні через судини дозволяє визначати стан кровообігу, як в поверхневих так і у внутрішніх судинах.

Див. також[ред.ред. код]

Примітки[ред.ред. код]

  1. Кологривов В. Н. Эффект Доплера в классической физике. — МФТИ, 2012. — С. 25—26.

Література[ред.ред. код]

  1. (рос.) Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М. Теория поля. — Издание 7-е, исправленное. — М.: Наука, 1988. — 512 с. — («Теоретическая физика», том II). — ISBN 5-02-014420-7


Фізика Це незавершена стаття з фізики.
Ви можете допомогти проекту, виправивши або дописавши її.