Doppler-effekten er fysiske fænomen, bestående i en ændring i frekvensen af bølger afhængig af bevægelsen af kilden til disse bølger i forhold til observatøren. Når kilden nærmer sig, stiger frekvensen af de bølger, den udsender, og længden falder. Når kilden til bølger bevæger sig væk fra observatøren, falder deres frekvens, og bølgelængden øges.
For eksempel i tilfælde af lydbølger Når kilden bevæger sig væk, vil tonehøjden af lyden falde, og når kilden nærmer sig, vil tonehøjden af lyden blive højere. Ved at ændre tonehøjden kan man således afgøre, om et tog, en bil med et særligt lydsignal osv. nærmer sig eller bevæger sig væk. Elektromagnetiske bølger udviser også Doppler-effekten. Hvis kilden fjernes, vil observatøren bemærke et skift i spektret til den "røde" side, dvs. mod længere bølger, og når man nærmer sig - til den "violette", dvs. mod kortere bølger.
Doppler-effekten viste sig at være en yderst nyttig opdagelse. Takket være ham blev universets udvidelse opdaget (galaksernes spektre er rødforskudte, derfor bevæger de sig væk fra os); en metode til diagnosticering af det kardiovaskulære system ved at bestemme blodgennemstrømningshastigheden er blevet udviklet; Forskellige radarer er blevet skabt, også dem, der bruges af færdselspolitiet.
Det mest populære eksempel på udbredelsen af Doppler-effekten: en bil med en sirene. Når hun kører hen imod dig eller væk fra dig, hører du én lyd, og når hun går forbi, hører du en helt anden – en lavere. Doppler-effekten er ikke kun forbundet med lydbølger, men også med andre. Ved hjælp af Doppler-effekten kan du bestemme hastigheden på noget, hvad enten det er en bil eller himmellegemer, forudsat at vi kender parametrene (frekvens og bølgelængde). Alt relateret til telefonnetværk, Wi-Fi, sikkerhedsalarmer - Doppler-effekten kan observeres overalt.
Eller tag et lyskryds - det har rødt, gult og grønne farver. Afhængigt af hvor hurtigt vi bevæger os, kan disse farver ændre sig, men ikke indbyrdes, men skifte mod lilla: gul vil gå over i grøn og grøn til blå.
Jamen hvorfor? Hvis vi bevæger os væk fra lyskilden og kigger bag os (eller lyskrydset bevæger sig væk fra os), vil farverne skifte mod rødt.
Og det er nok værd at præcisere, at den hastighed, hvormed rød kan forveksles med grøn, er meget højere end den hastighed, du kan køre med på vejene.
Svar
Kommentar
Essensen af Doppler-effekten er, at hvis en lydkilde nærmer sig eller bevæger sig væk fra observatøren, så ændres frekvensen af den lyd, der udsendes af den, fra observatørens synspunkt. For eksempel ændres lyden af motoren i en bil, der kører forbi. Den er højere, når den nærmer sig dig og bliver pludselig lavere, da den flyver forbi dig og begynder at bevæge sig væk. Jo højere hastighed lydkilden har, jo større frekvensændring.
Forresten gælder denne effekt ikke kun for lyd, men også for eksempel for lys. Det er bare mere tydeligt for lyd - det kan observeres ved relativt lave hastigheder. U synligt lys frekvensen er så høj, at mindre ændringer på grund af Doppler-effekten det blotte øje usynlig. I nogle tilfælde bør der dog tages hensyn til Doppler-effekten selv i radiokommunikation.
Hvis du ikke dykker ned i strenge definitioner og prøver at forklare effekten, som de siger, på dine fingre, så er alt ret simpelt. Lyd (som lys eller et radiosignal) er en bølge. For klarhedens skyld, lad os antage, at frekvensen af den modtagne bølge afhænger af, hvor ofte vi modtager "toppene" af den skematiske bølge (). Hvis kilden og modtageren er stationære (ja, i forhold til hinanden), så vil vi modtage "ridges" med samme frekvens, som modtageren udsender dem med. Hvis kilden og modtageren begynder at nærme sig hinanden, vil vi begynde at modtage oftere, jo højere tilgangshastigheden er - hastighederne vil lægge op. Som følge heraf vil lydfrekvensen ved modtageren være højere. Hvis kilden begynder at bevæge sig væk fra modtageren, så vil hver næste "ridge" tage lidt længere tid at nå modtageren - vi vil begynde at modtage "ridges" lidt sjældnere, end kilden udsender dem. Lydfrekvensen ved modtageren vil være lavere.
Dette er forklaringen i i et vist omfang skematisk, men generelt princip det afspejler.
Kort sagt ændringen i observeret frekvens og bølgelængde, når kilden og modtageren bevæger sig i forhold til hinanden. Forbundet med endeligheden af hastigheden af bølgeudbredelse. Hvis kilden og modtageren kommer tættere på, stiger frekvensen (bølgetoppen optages oftere); bevæge sig væk fra hinanden - frekvensen falder (toppen af bølgen optages sjældnere). En almindelig illustration af effekten er sirene fra specialtjenesterne. Hvis en ambulance nærmer sig dig, hviner sirenen, når den kører væk, summer den højt. Et særskilt tilfælde er udbredelsen af en elektromagnetisk bølge i et vakuum - der tilføjes en relativistisk komponent, og Doppler-effekten viser sig også i det tilfælde, hvor modtageren og kilden er ubevægelige i forhold til hinanden, hvilket forklares af tidens egenskaber .
Jeg vil prøve at svare på den enkleste måde:
Forestil dig, at du står stille og hvert sekund affyrer en bølge (for eksempel med din stemme), som spreder sig radialt fra dig med en hastighed på 100 m/s.
Det er kendt, at når et hurtigt bevægende elektrisk tog nærmer sig en stationær observatør, virker lydsignalet højere, og når det bevæger sig væk fra observatøren, virker det lavere end signalet fra det samme elektriske tog, men stationært.
Doppler effekt kalder ændringen i frekvensen af bølger optaget af modtageren, som opstår på grund af bevægelsen af kilden til disse bølger og modtageren.
Kilden, der bevæger sig mod modtageren, ser ud til at komprimere en fjeder - en bølge (fig. 5.6).
Denne effekt observeres under udbredelsen af lydbølger (akustisk effekt) og elektromagnetiske bølger(optisk effekt).
Lad os overveje flere tilfælde af manifestation akustisk Doppler-effekt .
Lad modtageren af lydbølger P i et gasformigt (eller flydende) medium være ubevægelig i forhold til det, og kilden I bevæger mig væk fra modtageren med en hastighed langs den lige linje, der forbinder dem (fig. 5.7, EN).
Kilden forskydes i mediet i en tid svarende til perioden for dens svingninger, med en afstand , hvor er kildens oscillationsfrekvens.
Derfor, når kilden bevæger sig, er bølgelængden i mediet forskellig fra dens værdi med en stationær kilde:
,
hvor er fasehastigheden af bølgen i mediet.
Bølgefrekvensen optaget af modtageren er
| (5.7.1) |
Hvis kildehastighedsvektoren er rettet i en vilkårlig vinkel til radiusvektoren, der forbinder den stationære modtager med kilden (fig. 5.7, b), At
 | (5.7.2) |
Hvis kilden er stationær, og modtageren nærmer sig den med en hastighed langs den lige linje, der forbinder dem (fig. 5.7, V), så er bølgelængden i mediet . Imidlertid er bølgens udbredelseshastighed i forhold til modtageren lig med , så frekvensen af bølgen optaget af modtageren
| (5.7.3) |
I det tilfælde, hvor hastigheden er rettet i en vilkårlig vinkel til radiusvektoren, der forbinder den bevægelige modtager med en stationær kilde (fig. 5.7, G), vi har:
Denne formel kan også repræsenteres som (hvis)
| , | (5.7.6) |
hvor er bølgekildens hastighed i forhold til modtageren, og er vinklen mellem vektorerne og . Størrelse, lig med projektion til retningen, kaldet kildens radiale hastighed.
Optisk Doppler effekt
Når kilden og modtageren af elektromagnetiske bølger bevæger sig i forhold til hinanden, observeres det også Doppler effekt , dvs. bølgefrekvensændring, registreret af modtageren. I modsætning til Doppler-effekten, vi betragtede i akustik, kan lovene for dette fænomen for elektromagnetiske bølger kun etableres på grundlag af speciel teori relativitet.
Relationsbeskrivende Doppler effekt Til elektromagnetiske bølger i vakuum, under hensyntagen til Lorentz-transformationer, har formen:
 .
| (5.7.7) |
Ved lave bevægelseshastigheder af bølgekilden i forhold til modtageren falder den relativistiske formel for Doppler-effekten (5.7.7) sammen med klassisk formel (5.7.2).
Hvis kilden bevæger sig i forhold til modtageren langs den lige linje, der forbinder dem, så observerer vi langsgående Doppler-effekt .
I tilfælde af at nærme sig kilden og modtageren ()
 ,
| (5.7.8) |
og i tilfælde af gensidig fjernelse ()
 .
| (5.7.9) |
Derudover følger den fra den relativistiske teori om Doppler-effekten eksistensen tværgående Doppler-effekt , observeret ved og , dvs. i tilfælde, hvor kilden bevæger sig vinkelret på observationslinjen (for eksempel bevæger kilden sig i en cirkel, modtageren er i midten):
 .
| (5.7.10) |
Den tværgående Doppler-effekt er uforklarlig i klassisk fysik. Det repræsenterer en rent relativistisk effekt.
Som det kan ses af formel (5.7.10), er den tværgående effekt proportional med forholdet, derfor er den meget svagere end den langsgående, som er proportional med (5.7.9).
I almindelig sag den relative hastighedsvektor kan dekomponeres i komponenter: den ene giver en langsgående effekt, den anden giver en tværgående effekt.
Eksistensen af den tværgående Doppler-effekt følger direkte af tidsudvidelse i bevægelige referencerammer.
Først eksperimentel verifikation eksistensen af Doppler-effekten og rigtigheden af den relativistiske formel (5.7.7) blev realiseret amerikanske fysikere G. Ives og D. Stilwell i 30'erne. Ved hjælp af en spektrograf studerede de strålingen fra brintatomer accelereret til hastigheder på m/s. I 1938 blev resultaterne offentliggjort. Sammenfatning: den tværgående Doppler-effekt blev observeret i fuld overensstemmelse med relativistiske frekvenstransformationer (emissionsspektret af atomer viste sig at være forskudt til lavfrekvensområdet); konklusion om tidsudvidelse i kørende køretøjer inertisystemer nedtælling er bekræftet.
Doppler-effekten har fundet bred anvendelse i videnskab og teknologi. Især stor rolle dette fænomen spiller i astrofysikken. Baseret på Doppler-forskydningen af absorptionslinjer i stjernernes og stjernetågens spektre er det muligt at bestemme disse objekters radiale hastigheder i forhold til Jorden: ved at bruge formel (5.7.6)
 .
| (5.7.11) |
Den amerikanske astronom E. Hubble opdagede i 1929 et fænomen kaldet kosmologisk rødforskydning og består i, at linjerne i ekstragalaktiske objekters emissionsspektre forskydes mod lavere frekvenser (længere bølgelængder). Det viste sig, at for hvert objekt er den relative frekvensforskydning (er frekvensen af linjen i spektret af en stationær kilde, er den observerede frekvens) nøjagtig den samme for alle frekvenser. Kosmologisk rødforskydning er intet andet end Doppler-effekten. Det indikerer, at Metagalaksen udvider sig, så ekstragalaktiske objekter bevæger sig væk fra vores galakse.
Metagalaksen forstås som helheden af alle stjernesystemer. Med moderne teleskoper kan du observere en del af Metagalaxy, hvis optiske radius er lig med 
. Eksistensen af dette fænomen blev teoretisk forudsagt tilbage i 1922 af den sovjetiske videnskabsmand A.A. Friedman baseret på udvikling generel teori relativitet.
Hubble etablerede en lov, ifølge hvilken den relative rødforskydning af galakser stiger i forhold til deres afstand .
Hubbles lov kan skrives i skemaet
 ,
| (5.7.12) |
Hvor H– Hubble konstant. Ifølge de fleste moderne skøn, udført i 2003,. (1 pc (parsec) er den afstand, lyset rejser i et vakuum på 3,27 år ( 
)).
I 1990 blev den sendt i kredsløb ombord på Discovery-shuttlen. rumteleskop opkaldt efter Hubble (fig. 5.8).
 |  |
| Ris. 5.8 | Ris. 5.9 |
Astronomer har længe drømt om et teleskop, der ville fungere i det synlige område, men som ville være udenfor jordens atmosfære, hvilket i høj grad forstyrrer observationer. Hubble skuffede ikke blot ikke de forhåbninger, der blev stillet til den, men overgik endda næsten alle forventninger. Han udvidede på fantastisk vis menneskehedens "synsfelt" og kiggede ind i universets ufattelige dybder. Under sin drift transmitterede rumteleskopet 700 tusinde storslåede fotografier til jorden (fig. 5.9). Især hjalp han astronomer med at bestemme nøjagtig alder vores univers er 13,7 milliarder år gammelt; hjalp med at bekræfte eksistensen af en mærkelig, men enormt indflydelsesrig form for energi i universet - mørk energi; beviste eksistensen af supermassive sorte huller; forbløffende tydeligt fangede faldet af en komet på Jupiter; viste, at dannelsesprocessen planetsystemer er udbredt i vores Galakse; opdagede små protogalakser ved at detektere strålingen udsendt af dem, da universets alder var mindre end 1 milliard år.
Radarlasermetoder til måling af hastigheder er baseret på Doppler-effekten forskellige genstande på Jorden (for eksempel en bil, et fly osv.). Laseranemometri er en uundværlig metode til at studere strømmen af væske eller gas. Den kaotiske termiske bevægelse af atomerne i et lysende legeme forårsager også en udvidelse af linjer i dets spektrum, som øges med stigende hastighed termisk bevægelse, dvs. med stigende gastemperatur. Dette fænomen kan bruges til at bestemme temperaturen af varme gasser.
Den opfattede frekvens af en bølge afhænger af dens kildes relative hastighed.
Du har sikkert mindst én gang i dit liv haft mulighed for at stå ved vejen, langs hvilken en bil med et særligt signal og en sirene suser forbi. Når sirenens hyl nærmer sig, er dens tonhøjde højere, så når bilen når dig, sænkes den, og til sidst, når bilen begynder at bevæge sig væk, sænkes den endnu mere, og du får det velkendte: yyyyyyååååååååååååååååååååååååååååååååååååååå yyyyy– det er nogenlunde skalaen. Måske uden at være klar over det, observerer du den mest fundamentale (og mest nyttige) egenskab ved bølger.
Bølger er generelt en mærkelig ting. Forestil dig en tom flaske, der dingler nær kysten. Hun går op og ned uden at nærme sig kysten, mens vandet ser ud til at strømme ind på kysten i bølger. Men nej - vandet (og flasken i det) forbliver på plads og svinger kun i et plan vinkelret på overfladen af reservoiret. Med andre ord svarer bevægelsen af mediet, hvori bølgerne udbreder sig, ikke til selve bølgernes bevægelse. Fodboldfans har i hvert fald lært dette godt og lært at bruge det i praksis: når de sender en "bølge" rundt på stadion, løber de ikke selv nogen steder, de rejser sig bare og sætter sig på deres tur, og "bølgen" (i Storbritannien kaldes dette fænomen normalt den "mexicanske bølge" ") løber rundt på tribunerne.
Bølger er normalt beskrevet frekvens(antal bølgetoppe pr. sekund ved observationspunktet) eller længde(afstand mellem to tilstødende højdedrag eller dale). Disse to egenskaber er relateret til hinanden gennem bølgeudbredelseshastigheden i mediet, derfor kan du nemt beregne den anden ved at kende hastigheden af bølgeudbredelsen og en af de vigtigste bølgekarakteristika.
Når først bølgen er startet, bestemmes hastigheden af dens udbredelse kun af egenskaberne for det medium, den udbreder sig i - kilden til bølgen spiller ikke længere nogen rolle. På vandoverfladen, for eksempel, forplanter bølger sig, når de først er exciterede, kun på grund af samspillet mellem trykkræfter, overfladespænding og tyngdekraften. Akustiske bølger forplanter sig i luft (og andre lydledende medier) på grund af den retningsbestemte transmission af trykforskelle. Og ingen af bølgeudbredelsesmekanismerne afhænger af bølgekilden. Derfor Doppler-effekten.
Lad os tænke igen på eksemplet med jamrende sirene. Lad os først antage, at det specielle køretøj er stationært. Lyden fra sirenen når os, fordi den elastiske membran inde i den periodisk virker på luften og skaber kompression i den - områder højt blodtryk, - vekslende med sjældenhed. Kompressionstoppe - "toppene" af en akustisk bølge - forplanter sig gennem mediet (luft), indtil de når vores ører og rammer trommehinderne, som sender et signal til vores hjerne (det er sådan hørelsen fungerer). Vi kalder traditionelt frekvensen af lydvibrationer, vi opfatter som tone eller tonehøjde: for eksempel svarer en vibrationsfrekvens på 440 hertz pr. sekund til tonen "A" i den første oktav. Så mens det specielle køretøj er stillestående, vil vi fortsætte med at høre den uændrede tone af dets signal.
Men så snart det specielle køretøj begynder at bevæge sig i din retning, tilføjes det ny effekt. I løbet af tiden fra emissionen af den ene bølgetop til den næste, vil bilen køre et stykke hen imod dig. På grund af dette vil kilden til hver efterfølgende bølgetop være tættere på. Som et resultat vil bølgerne nå dine ører oftere, end de gjorde, mens bilen holdt stille, og tonehøjden af lyd, du opfatter, vil stige. Og omvendt, hvis specialkøretøjet starter ind omvendt retning, toppe akustiske bølger vil nå dine ører sjældnere, og den opfattede frekvens af lyden vil falde. Dette er forklaringen på, at når en bil med specielle signaler kører forbi dig, falder tonen i sirenen.
Vi så på Doppler-effekten i forhold til lydbølger, men det ligeligt gælder for alle andre. Hvis en kilde til synligt lys nærmer sig os, forkortes den bølgelængde, vi ser, og vi observerer den s.k. lilla skift(Af alle synlige farver vægte lysspektrum violet svarer til de korteste bølgelængder). Hvis kilden bevæger sig væk, er der en tilsyneladende forskydning mod den røde del af spektret (forlængelse af bølgerne).
Denne effekt er opkaldt efter Christian Johann Doppler, som først forudsagde den teoretisk. Doppler-effekten har interesseret mig hele mit liv på grund af, hvordan den først blev testet eksperimentelt. Den hollandske videnskabsmand Christian Buys Ballot (1817-1870) satte et blæseorkester i en åben jernbanevogn, og på perronen samlede en gruppe musikere med absolut tonehøjde. (Perfekt tonehøjde er evnen til, efter at have lyttet til en node, nøjagtigt at navngive den.) Hver gang et tog med en musikvogn passerede perronen, spillede brassbandet en tone, og observatører (lyttere) skrev det musikalske partitur, de hørte, ned. Som forventet var lydens tilsyneladende tonehøjde direkte afhængig af togets hastighed, hvilket faktisk blev forudsagt af Dopplers lov.
Doppler-effekten er meget brugt både i videnskaben og i hverdagen. Rundt om i verden bruges det i politiets radarer til at fange og bøde overtrædere. Trafik overskrider hastigheden. En radarpistol udsender et radiobølgesignal (normalt i VHF- eller mikrobølgeområdet), der reflekteres fra din bils metalhus. Signalet kommer tilbage til radaren med et Doppler-frekvensskift, hvis værdi afhænger af køretøjets hastighed. Ved at sammenligne frekvenserne af de udgående og indgående signaler, beregner enheden automatisk hastigheden på din bil og viser den på skærmen.
Doppler-effekten fandt en noget mere esoterisk anvendelse i astrofysikken: Især Edwin Hubble målte for første gang afstande til nærmeste galakser på det nyeste teleskop, opdagede dem samtidig i spektret atomar stråling rødt Doppler-skift, hvorfra det blev konkluderet, at galakser bevæger sig væk fra os ( cm. Hubbles lov). Faktisk var dette en lige så klar konklusion, som hvis du efter at have lukket øjnene pludselig hørte, at tonen i motoren i en bil af en model, du kendte til, var lavere end nødvendigt, og konkluderede, at bilen bevægede sig væk fra du. Da Hubble også opdagede, at jo længere væk en galakse er, jo stærkere er rødforskydningen (og jo hurtigere flyver den væk fra os), indså den, at universet udvider sig. Dette var det første skridt mod Big Bang-teorien - og det er en meget mere alvorlig ting end et tog med et brassband.
Christian Johann Doppler, 1803-53
østrigsk fysiker. Født i Salzburg i familien af en murer. Gradueret Polyteknisk Institut i Wien, forblev der i juniorlærerstillinger indtil 1835, hvor han modtog et tilbud om at lede instituttet for matematik ved Prags universitet, hvilket i sidste øjeblik tvang ham til at opgive sin langsigtede beslutning om at emigrere til Amerika, fortvivlet over opnå anerkendelse i akademiske kredse derhjemme. Han afsluttede sin karriere som professor ved Royal Imperial University of Wien.
Har du nogensinde lagt mærke til, at lyden af en bilsirene har forskellige højder når den nærmer sig eller flytter sig i forhold til dig?
Forskellen i frekvensen af fløjten eller sirene fra et vigende og nærgående tog eller bil er måske det mest åbenlyse og udbredte eksempel på Doppler-effekten. Teoretisk opdaget af den østrigske fysiker Christian Doppler, ville denne effekt senere spille nøglerolle inden for videnskab og teknologi.
For en observatør vil strålingens bølgelængde have forskellig betydning ved forskellige hastigheder af kilden i forhold til observatøren. Når kilden nærmer sig, vil bølgelængden falde, og når den bevæger sig væk, vil den stige. Følgelig ændres frekvensen også med bølgelængden. Derfor er frekvensen af fløjten fra et nærgående tog mærkbart højere end frekvensen af fløjten, når den bevæger sig væk. Faktisk er dette essensen af Doppler-effekten.
Doppler-effekten ligger til grund for driften af mange måle- og forskningsinstrumenter. I dag er det meget brugt i medicin, luftfart, astronautik og endda hverdagen. Doppler-effekten driver satellitnavigation og vejradarer, ultralydsmaskiner og sikkerhedsalarmer. Doppler-effekten er blevet bredt anvendelig i videnskabelig undersøgelse. Måske er han bedst kendt inden for astronomi.
Forklaring af effekten
For at forstå karakteren af Doppler-effekten skal du blot se på vandets overflade. Cirkler på vandet viser perfekt alle tre komponenter i enhver bølge. Lad os forestille os, at en stationær flyder skaber cirkler. I dette tilfælde vil perioden svare til den tid, der er gået mellem emissionen af den ene og den næste cirkel. Frekvensen er lig med antallet af cirkler, der udsendes af flyderen i et bestemt tidsrum. Bølgelængden vil være lig med forskellen i radierne af to successivt udsendte cirkler (afstanden mellem to tilstødende toppe).
Lad os forestille os, at en båd nærmer sig denne stationære flyder. Da den bevæger sig mod højderyggene, vil bådens hastighed blive lagt til cirklernes udbredelseshastighed. Derfor vil hastigheden på modkørende kamme stige i forhold til båden. Bølgelængden aftager samtidig. Som følge heraf vil den tid, der vil gå mellem stødene af to tilstødende cirkler på siden af båden, falde. Med andre ord vil perioden falde, og følgelig vil frekvensen stige. På samme måde, for en vigende båd, vil hastigheden af toppene, der nu vil indhente den, falde, og bølgelængden vil stige. Hvilket betyder at øge perioden og mindske frekvensen.
Forestil dig nu, at flyderen er placeret mellem to stationære både. Desuden trækker fiskeren på en af dem flyderen mod sig selv. Ved at opnå hastighed i forhold til overfladen fortsætter flyderen med at udsende nøjagtig de samme cirkler. Imidlertid vil midten af hver efterfølgende cirkel blive forskudt i forhold til midten af den forrige mod båden, som flyderen nærmer sig. Derfor vil afstanden mellem kammene blive reduceret på siden af denne båd. Det viser sig, at cirkler med en reduceret bølgelængde, og derfor med en reduceret periode og øget frekvens, vil komme til båden med fiskeren, der trækker flyderen. På samme måde vil bølger med øget længde, periode og reduceret frekvens nå en anden fisker.
Flerfarvede stjerner
Sådanne mønstre af ændringer i karakteristika for bølger på vandoverfladen blev engang bemærket af Christian Doppler. Han beskrev hvert sådant tilfælde matematisk og anvendte de opnåede data på lyd og lys, som også har en bølgenatur. Doppler foreslog, at stjernernes farve derfor direkte afhænger af den hastighed, hvormed de nærmer sig eller bevæger sig væk fra os. Han skitserede denne hypotese i en artikel, som han præsenterede i 1842.
Bemærk, at Doppler tog fejl med hensyn til stjernernes farve. Han troede, at alle stjerner stråler hvid farve, som efterfølgende forvrænges på grund af deres hastighed i forhold til observatøren. Faktisk påvirker Doppler-effekten ikke stjernernes farve, men mønsteret af deres spektrum. For stjerner, der bevæger sig væk fra os, vil alle de mørke linjer i spektret øge bølgelængden - skifte til den røde. Denne effekt er etableret i videnskaben under navnet "rødt skift". Når stjernerne nærmer sig, har linjerne tværtimod tendens til den del af spektret med en højere frekvens - den violette farve.
Dette træk ved spektrallinjer, baseret på Dopplers formler, blev teoretisk forudsagt i 1848 af den franske fysiker Armand Fizeau. Dette blev eksperimentelt bekræftet i 1868 af William Huggins, som ydede et stort bidrag til den spektrale undersøgelse af rummet. Allerede i det 20. århundrede ville Doppler-effekten for linjer i spektret blive kaldt "rødt skift", hvilket vi vender tilbage til.
Koncert på skinner
I 1845 gennemførte den hollandske meteorolog Beuys-Ballot, og senere Doppler selv, en række eksperimenter for at teste Doppler-"lyd"-effekten. I begge tilfælde brugte de den tidligere nævnte effekt af hornet på et nærgående og afgående tog. Fløjtens rolle blev spillet af grupper af trompetister, som spillede en bestemt tone, mens de var i en åben vogn af et tog i bevægelse.
Beuys-Ballot sendte trompetister forbi folk med god hørelse, som optog toneændringen ved forskellige hastigheder af kompositionen. Han gentog derefter dette eksperiment, idet han placerede trompetisterne på en platform og lytterne i en vogn. Doppler registrerede dissonansen af tonerne fra to grupper af trompetister, som nærmede sig og bevægede sig væk fra ham på samme tid og spillede en tone.
I begge tilfælde blev Doppler-effekten for lydbølger bekræftet. Desuden kan hver af os udføre dette eksperiment i Hverdagen og bekræft det selv. På trods af det faktum, at Doppler-effekten blev kritiseret af samtidige, gjorde yderligere forskning den derfor ubestridelig.
Som tidligere nævnt bruges Doppler-effekten til at bestemme hastigheden rumobjekter i forhold til observatøren.
Mørke linjer på spektret af kosmiske objekter er i starten altid placeret på et strengt fast sted. Denne placering svarer til absorptionsbølgelængden af et bestemt element. For et objekt, der nærmer sig eller viger, ændrer alle bånd deres positioner til henholdsvis det violette eller røde område af spektret. Sammenligner spektrale linjer jordisk kemiske elementer Med lignende linjer på stjernernes spektre kan vi vurdere, hvor hurtigt et objekt nærmer sig eller bevæger sig væk fra os.
Det røde skift i galaksernes spektre blev opdaget af den amerikanske astronom Vesto Slifer i 1914. Hans landsmand Edwin Hubble sammenlignede afstandene til galakser opdaget af ham med størrelsen af deres røde skift. Så i 1929 kom han til den konklusion, at jo længere væk galaksen er, jo hurtigere bevæger den sig væk fra os. Som det senere viser sig, var loven, han opdagede, ret unøjagtig og beskrev ikke helt korrekt ægte billede. Hubble satte dog den rigtige trend for yderligere forskning andre videnskabsmænd, som senere ville introducere begrebet kosmologisk rødforskydning.
I modsætning til Doppler-rødforskydningen, der opstår som følge af galaksernes egenbevægelse i forhold til os, opstår den kosmologiske rødforskydning fra rummets udvidelse. Som du ved, udvider universet sig ensartet gennem hele dets volumen. Derfor, jo længere to galakser er fra hinanden, jo hurtigere bevæger de sig væk fra hinanden. Så hver megaparsec mellem galakser vil fjerne dem fra hinanden med omkring 70 kilometer hvert sekund. Denne størrelse kaldes Hubble-konstanten. Interessant nok estimerede Hubble selv sin konstant til så meget som 500 km/s pr. megaparsek.
Dette forklares ved, at han ikke tog højde for, at rødforskydningen af enhver galakse er summen af to forskellige rødforskydninger. Udover at være drevet af universets udvidelse, gennemgår galakser også deres egne bevægelser. Hvis den relativistiske rødforskydning har samme fordeling for alle afstande, accepterer Doppler-rødforskydningen de mest uforudsigelige uoverensstemmelser. Trods alt ordentlig bevægelse galakser i deres hobe afhænger kun af gensidige gravitationspåvirkninger.
Nære og fjerne galakser
Mellem nærliggende galakser er Hubble-konstanten praktisk talt ikke anvendelig til at estimere afstandene mellem dem. For eksempel har Andromeda-galaksen i forhold til os et totalt violet skift, når den nærmer sig Mælkevejen med en hastighed på omkring 150 km/s. Hvis vi anvender Hubbles lov på den, så burde den bevæge sig væk fra vores galakse med en hastighed på 50 km/s, hvilket slet ikke svarer til virkeligheden.
For fjerne galakser er Doppler-rødforskydningen næsten umærkelig. Deres hastighed for fjernelse fra os er direkte afhængig af afstanden og svarer med en lille fejl til Hubble-konstanten. Så de fjerneste kvasarer bevæger sig væk fra os med en hastighed, der er større end lysets hastighed. Mærkeligt nok er dette ikke i modstrid med relativitetsteorien, fordi dette er hastigheden af at udvide rummet, og ikke selve objekterne. Derfor er det vigtigt at kunne skelne Doppler-rødforskydningen fra den kosmologiske.
Det er også værd at bemærke, at der i tilfælde af elektromagnetiske bølger også forekommer relativistiske effekter. Den medfølgende forvrængning af tid og ændringer i lineære dimensioner, når kroppen bevæger sig i forhold til observatøren, påvirker også bølgens natur. Som i alle tilfælde med relativistiske effekter
Uden Doppler-effekten, som muliggjorde opdagelsen af rødforskydning, ville vi selvfølgelig ikke vide om universets storskalastruktur. Imidlertid skylder astronomer mere end dette til denne egenskab ved bølger.
Doppler-effekten kan registrere små afvigelser i stjernernes positioner, som kan skabes af planeter, der kredser omkring dem. Takket være dette er hundredvis af exoplaneter blevet opdaget. Det bruges også til at bekræfte tilstedeværelsen af exoplaneter, der tidligere er opdaget ved hjælp af andre metoder.
Doppler-effekten spillede afgørende rolle i studiet af tætte stjernesystemer. Når to stjerner er så tæt på, at de ikke kan ses hver for sig, kommer Doppler-effekten astronomerne til hjælp. Det giver dig mulighed for at spore stjerners usynlige gensidige bevægelse langs deres spektrum. Sådan stjernesystemer De fik endda navnet "optisk dobbelt".
Ved at bruge Doppler-effekten kan du ikke kun vurdere hastigheden rumobjekt, men også hastigheden af dens rotation, ekspansion, hastigheden af dens atmosfæriske strømme og meget mere. Hastigheden af Saturns ringe, udvidelsen af tåger, stjernernes pulseringer måles alt sammen takket være denne effekt. Det bruges endda til at bestemme temperaturen på stjerner, fordi temperaturen også er en indikator for bevægelse. Vi kan sige, at moderne astronomer måler næsten alt relateret til rumobjekters hastigheder ved hjælp af Doppler-effekten.
Registreret af modtageren, forårsaget af bevægelsen af deres kilde og/eller bevægelsen af modtageren. Det er nemt at observere i praksis, når en bil med sirene tændt kører forbi observatøren. Antag, at sirenen frembringer en bestemt tone, og den ændrer sig ikke. Når bilen ikke bevæger sig i forhold til observatøren, så hører han præcis den tone, som sirenen giver. Men hvis bilen bevæger sig tættere på observatøren, vil frekvensen af lydbølgerne stige (og længden falde), og observatøren vil høre en højere tonehøjde, end sirenen faktisk udsender. I det øjeblik, hvor bilen passerer observatøren, vil han høre netop den tone, som sirenen rent faktisk giver. Og når bilen kører længere og bevæger sig væk i stedet for tættere på, vil observatøren høre en lavere tone på grund af den lavere frekvens (og følgelig længere længde) af lydbølgerne.
For bølger, der forplanter sig i ethvert medium (for eksempel lyd), er det nødvendigt at tage højde for bevægelsen af både kilden og modtageren af bølgerne i forhold til dette medium. For elektromagnetiske bølger (såsom lys), som ikke kræver noget medium for at forplante sig, er alt, der betyder noget, relativ bevægelse kilde og modtager.
Også vigtigt er tilfældet, når en ladet partikel bevæger sig i et medium med relativistisk hastighed. I dette tilfælde registreres Cherenkov-stråling, som er direkte relateret til Doppler-effekten, i laboratoriesystemet.
Hvor f 0 er den frekvens, hvormed kilden udsender bølger, c- hastighed af udbredelse af bølger i mediet, v- bølgekildens hastighed i forhold til mediet (positiv hvis kilden nærmer sig modtageren og negativ hvis den bevæger sig væk).
Frekvens optaget af en fast modtager
u- modtagerens hastighed i forhold til mediet (positiv, hvis den bevæger sig mod kilden).
Ved at erstatte frekvensværdien fra formel (1) med formel (2), får vi formlen for det generelle tilfælde.
Hvor Med- lysets hastighed, v - relativ hastighed modtager og kilde (positiv, hvis de bevæger sig væk fra hinanden).
Sådan observeres Doppler-effekten
Da fænomenet er typisk for evt oscillerende processer, så er det meget nemt at observere for lyd. Frekvensen af lydvibrationer opfattes af øret som tonehøjde. Du skal vente på en situation, hvor en hurtigkørende bil kører forbi dig og afgiver en lyd, for eksempel en sirene eller bare et bip. Du vil høre, at når bilen nærmer sig dig, vil tonehøjden af lyden være højere, så når bilen når dig, vil den falde kraftigt, og når den bevæger sig væk, vil bilen tude med en lavere tone.
Ansøgning
Doppler radar
Links
- Brug af Doppler-effekten til at måle havstrømme
Wikimedia Foundation. 2010.