Бранови со доплер ефект. лебдат за да се одреди векторот на брзината на земјата

Регистрирани од приемникот, предизвикани од движењето на нивниот извор и/или движењето на ресиверот. Лесно е да се набљудува во пракса кога автомобил со вклучена сирена поминува покрај набљудувачот. Да претпоставиме дека сирената произведува одреден тон и тој не се менува. Кога автомобилот не се движи во однос на набљудувачот, тогаш тој го слуша точно тонот што го прави сирената. Но, ако автомобилот се приближи поблиску до набљудувачот, фреквенцијата на звучните бранови ќе се зголеми (и должината ќе се намали), а набљудувачот ќе слушне поголем тон отколку што всушност емитува сирената. Во моментот кога автомобилот ќе помине покрај набљудувачот, тој ќе го слушне самиот тон што всушност го прави сирената. И кога автомобилот вози подалеку и се оддалечува наместо поблиску, набљудувачот ќе слушне понизок тон поради помалата фреквенција (и, соодветно, подолгата должина) на звучните бранови.

За бранови што се шират во кој било медиум (на пример, звук), неопходно е да се земе предвид движењето и на изворот и на примачот на брановите во однос на овој медиум. За електромагнетни бранови (како што е светлината), за кои не е потребен никаков медиум за ширење, важно е само релативното движење на изворот и приемникот.

Исто така важен е случајот кога наелектризираната честичка се движи во медиум со релативистичка брзина. Во овој случај, зрачењето Черенков, кое е директно поврзано со Доплеровиот ефект, се евидентира во лабораторискиот систем.

Каде ѓ 0 е фреквенцијата со која изворот емитува бранови, в- брзина на ширење на брановите во медиумот, v- брзината на изворот на бранот во однос на медиумот (позитивна ако изворот се приближува до приемникот и негативна ако се оддалечи).

Фреквенција снимена од фиксен приемник

u- брзината на приемникот во однос на медиумот (позитивна ако се движи кон изворот).

Заменувајќи ја вредноста на фреквенцијата од формулата (1) во формулата (2), ја добиваме формулата за општиот случај.

Каде Со- брзина на светлината, v- релативна брзина на приемникот и изворот (позитивни ако се оддалечат еден од друг).

Како да се набљудува Доплеровиот ефект

Бидејќи феноменот е карактеристичен за сите осцилаторни процеси, многу е лесно да се набљудува за звук. Фреквенцијата на звучните вибрации се перцепира со уво како висина. Треба да почекате ситуација кога автомобил што се движи брзо ќе помине покрај вас, испуштајќи звук, на пример, сирена или само звучен сигнал. Ќе слушнете дека кога автомобилот ќе ви се приближи, јачината на звукот ќе биде повисок, а потоа, кога автомобилот ќе стигне до вас, нагло ќе падне и потоа, додека се оддалечува, автомобилот ќе заѕвони со пониска нота.

Апликација

Доплер радар

Врски

Користење на Доплеров ефект за мерење на океанските струи

Фондацијата Викимедија. 2010 година.

Ако изворот на звукот и набљудувачот се движат релативно еден на друг, фреквенцијата на звукот што го перцепира набљудувачот не е иста со фреквенцијата на изворот на звук. Овој феномен, откриен во 1842 година, се нарекува Доплер ефект .

Звучните бранови се шират во воздухот (или друг хомоген медиум) со константна брзина, која зависи само од својствата на медиумот. Сепак, брановата должина и фреквенцијата на звукот може значително да се променат како што се движат изворот на звукот и набљудувачот.

Да разгледаме едноставен случај кога брзината на изворот е υ И, а брзината на набљудувачот е υ Н во однос на околинатанасочени по права линија што ги поврзува. За позитивната насока за υИи υНможе да се земе насоката од набљудувачот кон изворот.Брзината на звукот υ секогаш се смета за позитивна.

Ориз. 2.8.1 го илустрира Доплер ефектот во случај на набљудувач во движење и стационарен извор. Периодот на звучни вибрации што ги перцепира набљудувачот е означен со Т N. Од Сл. 2.8.1 следува:

Обрни внимание на

Ако набљудувачот се движи во насока на изворот (υ Н > 0), тогаш ѓ N> ѓИ, ако набљудувачот се движи од изворот (υ Н< 0), то ѓН< ѓИ.

На сл. 2.8.2 набљудувачот е неподвижен, а изворот на звукот се движи со одредена брзина υ И Во овој случај, според Сл. 2.8.2 валидна е следната релација:

Ова имплицира:

Ако изворот се оддалечи од набљудувачот, тогаш υ И > 0 и затоа, ѓН< ѓ I. Ако изворот се приближува до набљудувачот, тогаш υ I< 0 и ѓ N> ѓИ.

Во општ случај, кога и изворот и набљудувачот се движат со брзини υ I и υ H, формулата за Доплеровиот ефект ја добива формата:

Овој сооднос ја изразува врската помеѓу ѓН и ѓ I. Секогаш се мерат брзините υ I и υ N во однос на воздухотили друг медиум во кој се шират звучните бранови. Ова е т.н нерелативистички Доплер ефект.

Во случај на електромагнетни бранови во вакуум (светлина, радио бранови), се забележува и Доплеров ефект. Бидејќи за ширење на електромагнетни бранови не е потребен материјален медиум, можеме само да размислиме релативна брзинаυ извор и набљудувач.

Израз за релативистички Доплер ефектизгледа како

Каде в- брзина на светлината. Кога υ > 0, изворот се оддалечува од набљудувачот и ѓН< ѓИ, во случајот υ< 0 источник приближается к наблюдателю, и ѓ N> ѓИ.

Доплеровиот ефект е широко користен во технологијата за мерење на брзината на објектите кои се движат ( „Доплер локација“во акустика, оптика и радио).

Фреквенција снимена од фиксен приемник

u- брзината на приемникот во однос на медиумот (позитивна ако се движи кон изворот).

Како да се набљудува Доплеровиот ефект

Апликација

Доплер радар

Врски

Користење на Доплеров ефект за мерење на океанските струи

Фондацијата Викимедија. 2010 година.

Погледнете што е „Доплер смена“ во другите речници:

Доплер смена- Doplerio poslinkis statusas T sritis fizika atitikmenys: engl. Доплер поместување; Доплер смена vok. Doppler Verschiebung, f rus. Доплер поместување, m; Доплер смена, n шега. поместување Доплер, m; отстапување Доплер, ѓ … Физички терминал е најстариот

Доплерско поместување на фреквенцијата- Doplerio dažnio poslinkis statusas T sritis radioelektronika atitikmenys: engl. Доплер фреквенција поместување; Доплер фреквенција поместување vok. Doppler Frequenzverschiebung, f rus. Доплерско поместување на фреквенцијата, m; Доплерско поместување на фреквенцијата, n…… Термин на радиоелектроник

Црвеното поместување е поместување на спектралните линии на хемиските елементи на црвената (долга бранова должина) страна. Овој феномен може да биде израз на Доплеров ефект или гравитациско црвено поместување или комбинација од двете. Поместување на спектарот... Википедија

Зголемување на брановите должини (l) на линии во електрична енергија. маг. изворен спектар (поместување на линиите кон црвениот дел од спектарот) во споредба со линиите на референтните спектри. Квантитативно K. s. се карактеризира со вредноста z=(lprin lsp)/lsp, каде што lsp и lprin... ... Физичка енциклопедија

Гравитационото сино поместување на квант (фотон) или друга елементарна честичка (како што е електрон или протон) кога паѓа во гравитациско поле (создадено од жолта ѕвезда на дното ... Википедија

Намалувањето на фреквенциите на електромагнетното зрачење е една од манифестациите на Доплеровиот ефект. Името „К. Со." поради фактот што во видливиот дел од спектарот, како резултат на оваа појава, линиите се поместени кон неговиот црвен крај; К.с. забележано... ... Голема советска енциклопедија

Промената на фреквенцијата на осцилации w или брановата должина l воочена од набљудувачот кога изворот на осцилациите и набљудувачот се движат релативно еден на друг. Појавата на Д.е. Најлесен начин да се објасни е со следење. пример. Нека испушта неподвижен извор... Физичка енциклопедија

Теориите на релативноста претставуваат суштински дел од теоретската основа на модерната физика. Постојат две главни теории: посебна (посебна) и општа. И двете беа создадени од А. Ајнштајн, особено во 1905 година, генерално во 1915 година. Во модерната физика, особено... ... Енциклопедија на Колиер

Гранка на астрономијата која ги проучува вселенските објекти со анализа на радио емисијата што доаѓа од нив. Многу космички тела емитуваат радио бранови кои стигнуваат до Земјата: тоа се, особено, надворешните слоеви на Сонцето и планетарните атмосфери, облаци од меѓуѕвезден гас.…… Енциклопедија на Колиер

Топло блескави небесни тела како Сонцето. Ѕвездите се разликуваат по големина, температура и светлина. Во многу аспекти, Сонцето е типична ѕвезда, иако изгледа многу посветла и поголема од сите други ѕвезди, бидејќи се наоѓа многу поблиску до... ... Енциклопедија на Колиер

λ, воочена од набљудувачот кога изворот на осцилациите и набљудувачот се движат релативно еден на друг. Појавата на Доплеровиот ефект најлесно се објаснува со помош на следниов пример. Нека стационарен извор во хомогена средина без дисперзија емитува бранови со период T 0 = λ 0 /υ, каде што λ 0 е брановата должина, υ е фазната брзина на бранот во оваа средина. Стационарен набљудувач ќе прими зрачење со ист период T 0 и иста бранова должина λ 0 . Ако изворот S се движи со одредена брзина Vs кон набљудувачот P (приемник), тогаш должината на бранот што го прима набљудувачот ќе се намали за количината на поместување на изворот во периодот T 0, односно λ = λ 0 -V S T 0, а фреквенцијата ω соодветно ќе се зголеми: ω = ω 0 /(1 - V s /υ). Примената фреквенција се зголемува ако изворот е неподвижен и набљудувачот се доближува до него. Како што изворот се оддалечува од набљудувачот, добиената фреквенција се намалува, што е опишано со истата формула, но со променет знак на брзината.

Во општиот случај, кога и изворот и приемникот се движат во однос на стационарна средина со нерелативистички брзини V S и V P под произволни агли θ S и θ P (сл.), добиената фреквенција е еднаква на (1):

Максималното зголемување на фреквенцијата се случува кога изворот и приемникот се движат еден кон друг (θ S = 0, θ P = π), а намалувањето се случува кога изворот и набљудувачот се оддалечуваат еден од друг (θ S = π, θ P = 0). Ако изворот и приемникот се движат со исти брзини во големина и насока, нема Доплер ефект.

При брзини на движење споредливи со брзината на светлината во вакуум, неопходно е да се земе предвид релативистичкиот ефект на временското проширување (види Теорија на релативност); како резултат на тоа, за стационарен набљудувач (V P = 0), добиената фреквенција на зрачење (2)

каде β = V S /s. Во овој случај, поместувањето на фреквенцијата се јавува и при θ S = π/2 (т.н. попречен Доплер ефект). За електромагнетни бранови во вакуум во која било референтна рамка υ = c и во формулата (2) V S мора да се разбере како релативна брзина на изворот.

Во медиум со дисперзија, кога фазната брзина υ зависи од фреквенцијата ω, односите (1), (2) можат да дозволат неколку вредности на ω за дадени ω 0 и V S, односно бранови со различни фреквенции можат да пристигнат до точка на набљудување под ист агол (т.н. комплексен доплер ефект). Дополнителни карактеристики се јавуваат кога изворот се движи со брзина V S > υ, кога на површината на конусот на аглите што го задоволува условот cosθ S = υ/V S , именителот во формулата (2) станува нула - т.н. аномален Доплер ефект зазема место. Во овој случај, внатре во наведениот конус, фреквенцијата се зголемува со зголемување на аголот θ S, додека со нормалниот Доплер ефект, помалите фреквенции се емитуваат под големи агли θ S.

Варијација на доплеровиот ефект е таканаречениот двоен доплер ефект - поместување на фреквенцијата на брановите кога тие се рефлектираат од телата што се движат, бидејќи рефлектирачкиот објект може да се смета прво како приемник, а потоа како реемиттер на бранови. . Ако ω 0 и υ 0 се фреквенцијата и фазната брзина на бранот кој се спушта на рамна граница, тогаш фреквенциите ω i на секундарните (рефлектирани и пренесени) бранови кои се шират со брзина υ i се дефинирани како (3)

каде θ 0, θ i се аглите помеѓу брановиот век на соодветниот бран и нормалната компонента на брзината V на движењето на рефлектирачката површина. Формулата (3) важи и во случај кога се јавува рефлексија од подвижна граница на промена на состојбата на макроскопски стационарна средина (на пример, јонизирачки бран во гас). Од него, особено, произлегува дека кога се рефлектира од граница што се движи кон бранот, фреквенцијата се зголемува, а ефектот е поголем, толку е помала разликата во брзините на границата и рефлектираниот бран.

За нестационарни медиуми, промена на фреквенцијата на брановите што се шират може да се случи дури и за стационарен емитер и приемник - таканаречениот параметарски Доплер ефект.

Доплеровиот ефект е именуван по К. Доплер, кој прв теоретски го потврдил во акустика и оптика (1842). Првата експериментална потврда за Доплеровиот ефект во акустиката датира од 1845 година. Попречниот Доплеров ефект беше откриен од американските физичари Г. Ајвс и Д. Стилвел во 1938 година. Генерализација на Доплеровиот ефект во случајот со нестационарни медиуми му припаѓа на V. A. Michelson (1899); можноста за комплексен Доплер ефект во медиум со дисперзија и аномален Доплер ефект за V > υ првпат беше истакната од V. L. Ginzburg и I. M. Frank (1942).

Доплеровиот ефект овозможува мерење на брзината на движење на изворите на зрачење и објектите што расејуваат бранови и наоѓа широка практична примена. Во астрофизиката, Доплеровиот ефект се користи за одредување на брзината на движење на ѕвездите, како и брзината на ротација на небесните тела. Мерењата на доплеровото црвено поместување на линиите во емисионите спектри на далечните галаксии доведоа до заклучок дека Универзумот се шири. Доплеровото проширување на спектралните емисиони линии на атомите и јоните обезбедува начин да се измери нивната температура. Во радио и сонарниот доплер, ефектот се користи за мерење на брзината на подвижните цели, за нивно идентификување на позадината на стационарни рефлектори итн.

Лит.: Франкфурт U. I., Frank A. M. Оптика на тела во движење. М., 1972; Угаров В.А. Специјална теорија на релативност. 2. ед. М., 1977; Френк И.М. Ајнштајн и оптика // Напредокот во физичките науки. 1979. T. 129. Број. 4; Гинзбург V.L. Теоретска физика и астрофизика: Дополнителни поглавја. 2. ед. М., 1981; Landsberg G. S. Optics. 6-ти ед. М., 2003 година.

Познато е дека кога брзиот електричен воз се приближува до неподвижен набљудувач, неговиот звучен сигнал изгледа повисок, а кога се оддалечува од набљудувачот, тој изгледа понизок од сигналот на истиот електричен воз, но неподвижен.

Доплер ефект повикајте ја промената на фреквенцијата на брановите снимени од приемникот, што се јавува поради движењето на изворот на овие бранови и приемникот.

Изворот, движејќи се кон приемникот, се чини дека компресира пружина - бран (сл. 5.6).

Овој ефект се забележува за време на ширењето на звучните бранови (акустичен ефект) и електромагнетните бранови (оптички ефект).

Да разгледаме неколку случаи на манифестација акустичен доплер ефект .

Нека примачот на звучни бранови P во гасовит (или течен) медиум е неподвижен во однос на него, а изворот што го оддалечувам од приемникот со брзина долж правата линија што ги поврзува (сл. 5.7, А).

Изворот е поместен во медиумот во време еднакво на периодот на неговите осцилации, за растојание , каде што е фреквенцијата на осцилации на изворот.

Затоа, кога изворот се движи, брановата должина во медиумот е различна од нејзината вредност со стационарен извор:

каде е фазната брзина на бранот во медиумот.

Брановата фреквенција снимена од приемникот е

(5.7.1)

Ако векторот на брзината на изворот е насочен под произволен агол на векторот на радиусот што го поврзува стационарниот приемник со изворот (сл. 5.7, б), Тоа

(5.7.2)

Ако изворот е неподвижен и приемникот му се приближува со брзина по правата линија што ги поврзува (сл. 5.7, В), тогаш брановата должина во медиумот е . Меѓутоа, брзината на ширење на бранот во однос на приемникот е еднаква на , така што фреквенцијата на бранот снимена од приемникот

(5.7.3)

Во случај кога брзината е насочена под произволен агол на векторот на радиусот што го поврзува подвижниот приемник со стационарен извор (сл. 5.7, Г), ние имаме:

Оваа формула може да се претстави и како (ако)

(5.7.6)

каде е брзината на изворот на бранот во однос на примачот и е аголот помеѓу векторите и . Се нарекува количината еднаква на проекцијата на насоката радијална брзина на изворот.

Оптички доплер ефект

Кога изворот и примачот на електромагнетни бранови се движат релативно еден на друг, тоа исто така се набљудува Доплер ефект , т.е. промена на фреквенцијата на брановите, регистриран од примачот. За разлика од Доплеровиот ефект што го разгледавме во акустиката, законите на овој феномен за електромагнетни бранови можат да се утврдат само врз основа на специјалната теорија на релативноста.

Опишување на врската Доплер ефектЗа електромагнетни брановиво вакуум, земајќи ги предвид трансформациите на Лоренц, има форма:

(5.7.7)

При мали брзини на движење на изворот на бран во однос на приемникот, релативистичката формула за Доплеровиот ефект (5.7.7) се совпаѓа со класичната формула (5.7.2).

Ако изворот се движи во однос на приемникот по правата линија што ги поврзува, тогаш набљудуваме надолжен доплер ефект .

Во случај на приближување до изворот и приемникот ()

(5.7.8)

а во случај на нивно меѓусебно отстранување ()

(5.7.9)

Покрај тоа, од релативистичката теорија на Доплеровиот ефект го следи постоењето попречен Доплер ефект , забележано на и , т.е. во случаи кога изворот се движи нормално на линијата на набљудување (на пример, изворот се движи во круг, приемникот е во центарот):

(5.7.10)

Попречниот Доплер ефект е необјаснив во класичната физика. Тоа претставува чисто релативистички ефект.

Како што може да се види од формулата (5.7.10), попречниот ефект е пропорционален на односот, затоа е многу послаб од надолжниот, кој е пропорционален на (5.7.9).

Во општиот случај, векторот на релативната брзина може да се разложи на компоненти: едниот обезбедува надолжен ефект, другиот обезбедува попречен ефект.

Постоењето на попречниот Доплер ефект следи директно од временското проширување во подвижните референтни рамки.

Првата експериментална проверка на постоењето на Доплеровиот ефект и исправноста на релативистичката формула (5.7.7) ја извршија американските физичари Г. Ајвс и Д. Стилвел во 30-тите години. Со помош на спектрограф, тие го проучувале зрачењето на атоми на водород забрзано до брзини од m/s. Во 1938 година резултатите беа објавени. Резиме: попречниот Доплер ефект беше забележан во целосна согласност со релативистичките трансформации на фреквенцијата (се покажа дека емисиониот спектар на атомите е префрлен во регионот со ниска фреквенција); потврден е заклучокот за временско проширување кај подвижните инерцијални референтни рамки.

Доплеровиот ефект најде широка примена во науката и технологијата. Овој феномен игра особено важна улога во астрофизиката. Врз основа на доплеровото поместување на линиите за апсорпција во спектрите на ѕвездите и маглините, можно е да се одредат радијалните брзини на овие објекти во однос на Земјата: при користење на формулата (5.7.6)

(5.7.11)

Американскиот астроном Е. Хабл во 1929 година откри феномен наречен космолошко црвено поместување а се состои во тоа што линиите во емисионите спектри на екстрагалактичките објекти се поместени кон пониски фреквенции (подолги бранови должини). Се покажа дека за секој објект релативното поместување на фреквенцијата (е фреквенцијата на линијата во спектарот на стационарен извор, е набљудуваната фреквенција) е сосема иста за сите фреквенции. Космолошкото црвено поместување не е ништо повеќе од Доплеровиот ефект. Тоа покажува дека Метагалаксијата се шири, така што екстрагалактичките објекти се оддалечуваат од нашата Галаксија.

Метагалаксијата се подразбира како севкупност на сите ѕвездени системи. Со современите телескопи можете да набљудувате дел од Метагалаксијата, чиј оптички радиус е еднаков на . Постоењето на овој феномен беше теоретски предвидено уште во 1922 година од советскиот научник А.А. Фридман врз основа на развојот на општата теорија на релативноста.

Хабл воспоставил закон според кој релативното црвено поместување на галаксиите се зголемува пропорционално со нивното растојание .

Хабловиот закон може да се напише во форма

(5.7.12)

Каде Х– Хабл константа. Според најновите проценки, спроведени во 2003 година,. (1 компјутер (парсек) е растојанието што светлината го поминува во вакуум за 3,27 години ( )).

Во 1990 година, вселенскиот телескоп Хабл беше лансиран во орбитата на шатлот Дискавери (сл. 5.8).


Ориз. 5.8	Ориз. 5.9

Астрономите долго време сонувале за телескоп кој би функционирал во видливиот опсег, но би се наоѓал надвор од земјината атмосфера, што во голема мера ги попречува набљудувањата. Хабл не само што не ги разочара надежите на него, туку дури и ги надмина речиси сите очекувања. Тој фантастично го прошири „видното поле“ на човештвото, гледајќи во незамисливите длабочини на Универзумот. За време на својата работа, вселенскиот телескоп пренесе 700 илјади прекрасни фотографии на земјата (сл. 5.9). Особено, тој им помогна на астрономите да ја одредат точната старост на нашиот Универзум - 13,7 милијарди години; помогна да се потврди постоењето на чудна, но моќна форма на енергија во Универзумот - темна енергија; докажано постоење на супермасивни црни дупки; неверојатно јасно го долови падот на комета на Јупитер; покажа дека процесот на формирање на планетарни системи е широко распространет во нашата Галаксија; открил мали протогалаксии со детектирање на зрачењето што го емитуваат кога возраста на Универзумот била помала од 1 милијарда години.

Радарските ласерски методи за мерење на брзините на различни објекти на Земјата (на пример, автомобил, авион итн.) се засноваат на Доплеровиот ефект. Ласерската анемометрија е незаменлив метод за проучување на протокот на течност или гас. Хаотичното термичко движење на атомите на прозрачното тело предизвикува и проширување на линиите во неговиот спектар, што се зголемува со зголемување на брзината на термичкото движење, т.е. со зголемување на температурата на гасот. Овој феномен може да се користи за одредување на температурата на топлите гасови.