สิ่งที่เรียกว่าปรากฏการณ์ดอปเปลอร์ การใช้เอฟเฟ็กต์ดอปเปลอร์

ปรากฏการณ์ดอปเปลอร์เป็นหนึ่งในการค้นพบที่น่าทึ่งในสาขาการวิจัยคุณสมบัติ ปรากฏการณ์คลื่น- ลักษณะสากลของมันกำหนดว่าทุกวันนี้อุปกรณ์หลากหลายนับพันเครื่องทำงานบนพื้นฐานของผลกระทบนี้ สาขาต่างๆ กิจกรรมของมนุษย์- ปรากฏการณ์นี้ซึ่งต่อมาตั้งชื่อตามผู้ค้นพบ ถูกค้นพบโดยนักฟิสิกส์ชาวออสเตรีย คริสเตียน ดอปเปลอร์ ย้อนกลับไปในช่วงกลางศตวรรษที่ 19 ดอปเปลอร์วัดคุณสมบัติของคลื่นที่มาถึงเครื่องรับจากแหล่งกำเนิดที่เคลื่อนที่และอยู่กับที่

หากเราพิจารณาเอฟเฟกต์ Doppler ในรูปแบบที่ง่ายที่สุด ควรสังเกตว่าสิ่งนี้อธิบายการเปลี่ยนแปลงความถี่ของสัญญาณโดยสัมพันธ์กับปริมาณการเคลื่อนที่ของแหล่งกำเนิดของสัญญาณที่กำหนดจากเครื่องรับที่รับสัญญาณ ตัวอย่างเช่น คลื่นที่มาจากแหล่งใดแหล่งหนึ่งและมีความถี่คงที่ที่แน่นอน จะได้รับจากเครื่องรับที่ความถี่ที่แตกต่างกัน ถ้าในระหว่างการผ่านนั้น แหล่งกำเนิดและผู้รับได้เปลี่ยนตำแหน่งโดยสัมพันธ์กัน นั่นคือ พวกเขาได้ย้ายแล้ว ในกรณีนี้ ตัวบ่งชี้ความถี่จะเพิ่มขึ้นหรือลดลง ขึ้นอยู่กับทิศทางที่แหล่งกำเนิดเลื่อนสัมพันธ์กับเครื่องรับ เมื่อพิจารณาถึงปรากฏการณ์ดอปเปลอร์ เราสามารถระบุได้อย่างชัดเจนว่าหากเครื่องรับเคลื่อนออกจากแหล่งกำเนิด ค่าของความถี่คลื่นจะลดลง หากเครื่องรับเข้าใกล้แหล่งกำเนิดรังสี ความถี่ของคลื่นจะเพิ่มขึ้น ดังนั้นจากกฎหมายเหล่านี้จึงสรุปได้ว่าหากแหล่งกำเนิดและตัวรับสัญญาณของคลื่นไม่เปลี่ยนตำแหน่งระหว่างที่เคลื่อนผ่าน ค่าของความถี่คลื่นจะยังคงเท่าเดิม

ข้อแม้ที่สำคัญอีกประการหนึ่งที่แสดงถึงลักษณะพิเศษของ Doppler คุณสมบัตินี้ขัดแย้งกับกฎหมายในระดับหนึ่ง ความจริงก็คือมูลค่าของการเปลี่ยนแปลงความถี่นั้นไม่ได้ถูกกำหนดโดยตัวรับและแหล่งกำเนิดรังสีเท่านั้นที่เคลื่อนที่หรือไม่ แต่ยังรวมถึงสิ่งที่กำลังเคลื่อนที่ด้วย การวัดพบว่าการเปลี่ยนความถี่ซึ่งกำหนดโดยวัตถุที่กำลังเคลื่อนที่จะสังเกตเห็นได้ชัดเจนยิ่งขึ้น ยิ่งความคลาดเคลื่อนระหว่างความเร็วการเคลื่อนที่ของเครื่องรับและแหล่งกำเนิดจากความเร็วคลื่นน้อยลงเท่านั้น ในความเป็นจริง ในกรณีที่ปรากฏการณ์ดอปเปลอร์เกิดขึ้น จะไม่พบว่าขัดแย้งกับทฤษฎีสัมพัทธภาพ เพราะสิ่งสำคัญในที่นี้ไม่ใช่การเคลื่อนไหวสัมพัทธ์ของเครื่องรับและแหล่งกำเนิด แต่เป็นธรรมชาติของการเคลื่อนที่ของคลื่นในแถบยืดหยุ่น สื่อกลางในการเคลื่อนย้าย

เอฟเฟ็กต์ดอปเปลอร์แสดงคุณสมบัติดังกล่าวทั้งที่เกี่ยวข้องกับคลื่นของแหล่งกำเนิดเสียงและคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ยกเว้นในกรณีของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ปรากฏการณ์การเปลี่ยนความถี่ไม่ได้ขึ้นอยู่กับว่าแหล่งกำเนิดหรือเครื่องรับกำลังเคลื่อนที่

อย่างไรก็ตาม การที่เอฟเฟกต์ที่ค่อนข้างเป็นนามธรรมนี้ปรากฏให้เห็นนั้นค่อนข้างง่ายที่จะมองเห็น ตัวอย่างเช่น เอฟเฟกต์ดอปเปลอร์ในอะคูสติกสามารถเห็นได้ หรือได้ยินอย่างแม่นยำมากขึ้นในขณะที่ยืนอยู่ในนั้น การจราจรติดขัดคุณจะได้ยินเสียงไซเรนของยานพาหนะพิเศษที่แล่นผ่าน แน่นอนว่าทุกคนสังเกตเห็นความจริงที่ว่าหากรถคันดังกล่าวกำลังเข้าใกล้เสียงไซเรนจะดังขึ้นในทิศทางเดียวและเมื่อรถคันดังกล่าวแซงหน้าคุณเสียงไซเรนจะดังน้อยลง สิ่งนี้เป็นการยืนยันอย่างแม่นยำว่ามีการเปลี่ยนแปลงค่าความถี่ของสัญญาณเสียง

มูลค่ามหาศาลความถี่ดอปเปลอร์มีบทบาทในเรดาร์ โดยอิงจากผลกระทบนี้ สถานีเรดาร์ทั้งหมดและอุปกรณ์อื่นๆ สำหรับการตรวจจับวัตถุที่กำลังเคลื่อนที่ทำงานในสาขาต่างๆ ของกิจกรรมของมนุษย์

คุณสมบัติของมันถูกใช้ในเทคโนโลยีทางการแพทย์เพื่อตรวจการไหลเวียนของเลือด ขั้นตอนเช่น Doppler echocardiography ก็เป็นที่รู้จักกันอย่างแพร่หลาย จากปรากฏการณ์ดอปเปลอร์ อุปกรณ์นำทางสำหรับเรือใต้น้ำได้ถูกสร้างขึ้น นักอุตุนิยมวิทยาใช้เพื่อวัดความเร็วการเคลื่อนที่ของมวลเมฆ

แม้แต่ดาราศาสตร์ก็ยังใช้ปรากฏการณ์ดอปเปลอร์ในการวัดด้วย ดังนั้นด้วยขนาดของการเปลี่ยนแปลงในสเปกตรัมของวัตถุทางดาราศาสตร์ต่าง ๆ ความเร็วของการเคลื่อนที่ในอวกาศจึงถูกกำหนดโดยเฉพาะอย่างยิ่งมันอยู่บนพื้นฐานของผลกระทบนี้ที่เสนอสมมติฐานเกี่ยวกับการขยายตัวของจักรวาล

ความถี่การรับรู้ของคลื่นขึ้นอยู่กับ ความเร็วสัมพัทธ์แหล่งที่มาของมัน

อย่างน้อยครั้งหนึ่งในชีวิตคุณคงมีโอกาสยืนข้างถนนซึ่งมีรถที่มีสัญญาณพิเศษและไซเรนวิ่งผ่านมา ขณะที่เสียงไซเรนดังใกล้เข้ามา เสียงของมันก็ดังขึ้น จากนั้นเมื่อรถถูกจับได้ มันก็ลดระดับลง และในที่สุดเมื่อรถเริ่มเคลื่อนตัวออกไป มันก็ลดลงอีกครั้ง และกลายเป็นความคุ้นเคย: Yyyiiieeaeaaaaaaoouuuuummm - เกี่ยวกับสมาชิกเสียง บางทีคุณอาจกำลังสังเกตคุณสมบัติพื้นฐานที่สุด (และมีประโยชน์มากที่สุด) ของคลื่นโดยไม่รู้ตัว

คลื่นเป็นสิ่งที่แปลกโดยทั่วไป ลองนึกภาพขวดเปล่าห้อยอยู่ใกล้ชายฝั่ง เธอเดินขึ้นลงไม่เข้าใกล้ฝั่งในขณะที่น้ำดูเหมือนคลื่นซัดเข้าฝั่ง แต่ไม่ น้ำ (และขวดที่อยู่ในนั้น) ยังคงอยู่ที่เดิม โดยจะสั่นในระนาบตั้งฉากกับพื้นผิวของอ่างเก็บน้ำเท่านั้น กล่าวอีกนัยหนึ่ง การเคลื่อนที่ของตัวกลางที่คลื่นแพร่กระจายไม่สอดคล้องกับการเคลื่อนที่ของคลื่นเอง อย่างน้อยแฟนฟุตบอลก็ได้เรียนรู้สิ่งนี้เป็นอย่างดีและเรียนรู้ที่จะนำไปใช้ในทางปฏิบัติ เมื่อส่ง “คลื่น” ไปรอบสนาม พวกเขาเองก็ไม่ได้วิ่งไปไหน แค่ลุกขึ้นนั่งตามตา และ “คลื่น” (ในสหราชอาณาจักรปรากฏการณ์นี้มักเรียกว่า “คลื่นเม็กซิกัน” ") วิ่งไปรอบอัฒจันทร์

เป็นเรื่องปกติที่จะอธิบายคลื่น ความถี่(จำนวนจุดสูงสุดของคลื่นต่อวินาทีที่จุดสังเกต) หรือ ความยาว(ระยะห่างระหว่างสันเขาหรือรางน้ำสองอันที่อยู่ติดกัน) ลักษณะทั้งสองนี้มีความสัมพันธ์กันผ่านความเร็วของการแพร่กระจายคลื่นในตัวกลาง ดังนั้น เมื่อทราบความเร็วของการแพร่กระจายคลื่นและลักษณะเฉพาะของคลื่นหลักประการหนึ่ง คุณจึงสามารถคำนวณอีกลักษณะหนึ่งได้อย่างง่ายดาย

เมื่อคลื่นเริ่มต้นขึ้น ความเร็วของการแพร่กระจายจะถูกกำหนดโดยคุณสมบัติของตัวกลางที่คลื่นแพร่กระจายเท่านั้น แหล่งที่มาของคลื่นจะไม่มีบทบาทใดๆ อีกต่อไป ตัวอย่างเช่นบนผิวน้ำคลื่นเริ่มตื่นเต้นแล้วแพร่กระจายเนื่องจากปฏิกิริยาของแรงกดดันเท่านั้น แรงตึงผิวและแรงโน้มถ่วง คลื่นเสียงแพร่กระจายในอากาศ (และสื่อนำเสียงอื่นๆ) เนื่องจากการถ่ายทอดทิศทางของความแตกต่างของความดัน และไม่มีกลไกการแพร่กระจายคลื่นใดขึ้นอยู่กับแหล่งกำเนิดคลื่น ดังนั้นปรากฏการณ์ดอปเปลอร์

ลองคิดอีกครั้งเกี่ยวกับตัวอย่างเสียงไซเรนที่ร่ำไห้ ก่อนอื่นให้เราสมมติว่ายานพาหนะพิเศษนั้นจอดอยู่กับที่ เสียงจากไซเรนมาถึงเราเพราะเมมเบรนยืดหยุ่นที่อยู่ภายในนั้นทำหน้าที่ในอากาศเป็นระยะทำให้เกิดการบีบอัดในพื้นที่นั้น ความดันโลหิตสูง, - สลับกับการทำให้บริสุทธิ์ จุดสูงสุดของการบีบอัด - “ยอด” ของคลื่นเสียง - แพร่กระจายผ่านตัวกลาง (อากาศ) จนกระทั่งไปถึงหูของเราและกระแทกแก้วหู ซึ่งส่งสัญญาณไปยังสมองของเรา (นี่คือวิธีการทำงานของการได้ยิน) ตามธรรมเนียมแล้ว เราเรียกความถี่ของการสั่นของเสียงที่เรารับรู้ว่าเป็นโทนเสียงหรือระดับเสียง ตัวอย่างเช่น ความถี่การสั่นสะเทือน 440 เฮิรตซ์ต่อวินาทีสอดคล้องกับโน้ต "A" ของอ็อกเทฟแรก ดังนั้นในขณะที่ยานพาหนะพิเศษจอดอยู่กับที่ เราจะยังคงได้ยินเสียงสัญญาณของมันเหมือนเดิม

แต่ทันทีที่ยานพาหนะพิเศษเริ่มเคลื่อนที่ไปในทิศทางของคุณ มันก็จะเพิ่มเข้ามา เอฟเฟกต์ใหม่- ในช่วงเวลาจากการปล่อยคลื่นสูงสุดหนึ่งไปยังอีกคลื่นหนึ่ง รถจะเดินทางเข้าหาคุณเป็นระยะทางหนึ่ง ด้วยเหตุนี้ แหล่งที่มาของจุดสูงสุดของคลื่นแต่ละจุดต่อมาจึงอยู่ใกล้กันมากขึ้น เป็นผลให้คลื่นมาถึงหูของคุณบ่อยกว่าที่เกิดขึ้นในขณะที่รถจอดอยู่กับที่ และระดับเสียงที่คุณรับรู้จะเพิ่มขึ้น และในทางกลับกันหากรถพิเศษสตาร์ทเข้ามา ทิศทางย้อนกลับ, ยอดเขา คลื่นเสียงจะเข้าถึงหูของคุณน้อยลงและความถี่ในการรับรู้ของเสียงจะลดลง นี่คือคำอธิบายว่าทำไมเมื่อมีรถยนต์ที่มีสัญญาณพิเศษผ่านคุณ เสียงไซเรนจึงลดลง

เราดูที่เอฟเฟกต์ดอปเปลอร์ที่สัมพันธ์กับคลื่นเสียง แต่มัน เท่าๆ กันใช้กับผู้อื่น ถ้าแหล่งที่มา แสงที่มองเห็นได้เข้ามาใกล้เรา ความยาวคลื่นที่เราเห็นสั้นลง และเราสังเกตสิ่งที่เรียกว่า กะสีม่วง(ของทั้งหมด สีที่มองเห็นได้ตาชั่ง สเปกตรัมแสงสีม่วงสอดคล้องกับความยาวคลื่นที่สั้นที่สุด) หากแหล่งกำเนิดเคลื่อนออกไป จะเกิดการเคลื่อนตัวไปทางส่วนสีแดงของสเปกตรัมอย่างชัดเจน (ความยาวของคลื่น)

เอฟเฟกต์นี้ตั้งชื่อตาม Christian Johann Doppler ผู้ซึ่งทำนายปรากฏการณ์นี้เป็นครั้งแรกในทางทฤษฎี เอฟเฟกต์ดอปเปลอร์ทำให้ฉันสนใจมาตลอดชีวิต เนื่องจากวิธีการทดสอบครั้งแรก นักวิทยาศาสตร์ชาวดัตช์ Christian Buys Ballot (พ.ศ. 2360-2413) นำวงดนตรีทองเหลืองขึ้นบนตู้รถไฟแบบเปิด และบนชานชาลาได้รวบรวมกลุ่มนักดนตรีที่มีระดับเสียงที่แน่นอน (ระดับเสียงที่สมบูรณ์แบบคือความสามารถในการตั้งชื่อให้ถูกต้องหลังจากฟังโน้ตแล้ว) ทุกครั้งที่รถไฟพร้อมรถม้าดนตรีแล่นผ่านชานชาลา วงดนตรีทองเหลืองจะเล่นโน้ต และผู้สังเกตการณ์ (ผู้ฟัง) จะจดโน้ตดนตรีที่พวกเขาได้ยิน ตามที่คาดไว้ ระดับเสียงที่ชัดเจนนั้นขึ้นอยู่กับความเร็วของรถไฟโดยตรง ซึ่งอันที่จริงแล้ว กฎของดอปเปลอร์ทำนายไว้ได้

ปรากฏการณ์ดอปเปลอร์มีการใช้กันอย่างแพร่หลายทั้งในด้านวิทยาศาสตร์และในชีวิตประจำวัน ทั่วโลกมีการใช้เรดาร์ของตำรวจเพื่อจับและปรับผู้ฝ่าฝืนกฎ การจราจรเกินความเร็ว ปืนเรดาร์ปล่อยสัญญาณคลื่นวิทยุ (โดยปกติจะอยู่ในช่วง VHF หรือไมโครเวฟ) ซึ่งสะท้อนจากตัวถังโลหะของรถของคุณ สัญญาณจะกลับมายังเรดาร์ด้วยการเปลี่ยนความถี่ดอปเปลอร์ ซึ่งขนาดจะขึ้นอยู่กับความเร็วของยานพาหนะ ด้วยการเปรียบเทียบความถี่ของสัญญาณขาออกและสัญญาณขาเข้า อุปกรณ์จะคำนวณความเร็วของรถของคุณโดยอัตโนมัติและแสดงบนหน้าจอ

ปรากฏการณ์ดอปเปลอร์พบว่ามีการประยุกต์ที่ค่อนข้างลึกลับในดาราศาสตร์ฟิสิกส์ โดยเฉพาะอย่างยิ่ง เอ็ดวิน ฮับเบิล ซึ่งเป็นครั้งแรกในการวัดระยะทางถึง กาแลคซีที่ใกล้ที่สุดบน กล้องโทรทรรศน์ใหม่ล่าสุดค้นพบพวกมันในสเปกตรัมไปพร้อมๆ กัน รังสีอะตอมการเคลื่อนตัวของดอปเปลอร์สีแดง ซึ่งสรุปได้ว่ากาแลคซีกำลังเคลื่อนตัวออกไปจากเรา ( ซม.กฎของฮับเบิล) อันที่จริงนี่เป็นข้อสรุปที่ชัดเจนราวกับว่าคุณหลับตาแล้วได้ยินว่าเสียงเครื่องยนต์ของรถรุ่นที่คุณคุ้นเคยนั้นต่ำกว่าที่จำเป็นและสรุปว่ารถกำลังจะเคลื่อนตัวออกไป คุณ. ฮับเบิลค้นพบสิ่งนั้นเมื่อใด กาแลคซีถัดไปยิ่งการเปลี่ยนแปลงสีแดงรุนแรงขึ้น (และยิ่งบินออกไปจากเราเร็วเท่าไร) ก็ตระหนักว่าจักรวาลกำลังขยายตัว นี่เป็นก้าวแรกสู่ทฤษฎีบิ๊กแบง - และนี่เป็นสิ่งที่จริงจังมากกว่ารถไฟที่มีวงดนตรีทองเหลือง

คริสเตียน โยฮันน์ ดอปเปลอร์, 1803-53

นักฟิสิกส์ชาวออสเตรีย เกิดที่เมืองซาลซ์บูร์กในครอบครัวช่างก่อสร้าง จบการศึกษา สถาบันสารพัดช่างในกรุงเวียนนายังคงดำรงตำแหน่งการสอนรุ่นเยาว์จนถึงปี พ.ศ. 2378 เมื่อเขาได้รับข้อเสนอให้เป็นหัวหน้าภาควิชาคณิตศาสตร์ที่มหาวิทยาลัยปราก ซึ่งในวินาทีสุดท้ายบังคับให้เขาละทิ้งการตัดสินใจระยะยาวที่จะย้ายไปอเมริกาด้วยความสิ้นหวัง ได้รับการยอมรับในแวดวงวิชาการที่บ้าน เขาสิ้นสุดอาชีพการเป็นศาสตราจารย์ที่ Royal Imperial University of Vienna

– ปรากฏการณ์ที่สำคัญที่สุดในฟิสิกส์คลื่น ก่อนจะเข้าประเด็นหลักทฤษฎีเบื้องต้นเล็กน้อย

ลังเล– ในระดับหนึ่งหรืออย่างอื่น กระบวนการทำซ้ำของการเปลี่ยนแปลงสถานะของระบบรอบตำแหน่งสมดุล คลื่น- นี่คือการสั่นที่สามารถเคลื่อนออกจากจุดกำเนิดและแพร่กระจายในตัวกลางได้ ลักษณะเป็นคลื่น แอมพลิจูด, ความยาวและ ความถี่- เสียงที่เราได้ยินเป็นเสียงคลื่น กล่าวคือ การสั่นสะเทือนทางกลอนุภาคอากาศที่แพร่กระจายจากแหล่งกำเนิดเสียง

ด้วยข้อมูลเกี่ยวกับคลื่น เรามาดูเอฟเฟกต์ดอปเปลอร์กันดีกว่า และหากคุณต้องการเรียนรู้เพิ่มเติมเกี่ยวกับการสั่นสะเทือน คลื่น และเสียงสะท้อน ยินดีต้อนรับเข้าสู่บล็อกของเรา

แก่นแท้ของเอฟเฟกต์ดอปเปลอร์

ตัวอย่างที่ได้รับความนิยมและเรียบง่ายที่สุดที่อธิบายแก่นแท้ของเอฟเฟกต์ดอปเปลอร์คือผู้สังเกตการณ์ที่อยู่นิ่งและรถยนต์ที่มีไซเรน สมมติว่าคุณกำลังยืนอยู่ที่ป้ายรถเมล์ รถพยาบาลที่มีเสียงไซเรนกำลังมุ่งหน้าไปตามถนนมาหาคุณ ความถี่ของเสียงที่คุณจะได้ยินเมื่อรถเข้าใกล้ไม่เท่ากัน

เสียงจะดังขึ้นในช่วงแรกเมื่อรถหยุด คุณจะได้ยินความถี่ที่แท้จริงของเสียงไซเรน และความถี่ของเสียงจะลดลงเมื่อคุณเคลื่อนตัวออกไป นี่คือมัน ผลกระทบดอปเปลอร์.

ความถี่และความยาวคลื่นของรังสีที่ผู้สังเกตการณ์รับรู้จะเปลี่ยนไปเนื่องจากการเคลื่อนที่ของแหล่งกำเนิดรังสี

หากถูกถามว่าใครเป็นผู้ค้นพบปรากฏการณ์ดอปเปลอร์ เขาจะตอบโดยไม่ลังเลว่าดอปเปลอร์เป็นผู้ค้นพบ และเขาจะพูดถูก ปรากฏการณ์นี้พิสูจน์ได้ทางทฤษฎีแล้ว 1842 โดยนักฟิสิกส์ชาวออสเตรีย คริสเตียน ดอปเปลอร์ต่อมาได้รับการตั้งชื่อตามเขา ดอปเปลอร์เองก็ได้รับทฤษฎีของเขามาจากการสังเกตระลอกคลื่นบนน้ำ และเสนอว่าการสังเกตนี้สามารถสรุปได้กับคลื่นทุกประเภท ภายหลังสามารถยืนยันผลดอปเปลอร์สำหรับเสียงและแสงได้ในภายหลัง

ด้านบนนี้เราได้ดูตัวอย่างของเอฟเฟกต์ Doppler คลื่นเสียง- อย่างไรก็ตาม เอฟเฟกต์ดอปเปลอร์ไม่ได้มีผลกับเสียงเท่านั้น มี:

• เอฟเฟกต์อะคูสติกดอปเปลอร์;
• เอฟเฟกต์ออปติคัลดอปเปลอร์
• ผลดอปเปลอร์สำหรับ คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า;
• ผลกระทบของดอปเปลอร์เชิงสัมพัทธภาพ

เป็นการทดลองด้วยคลื่นเสียงที่ช่วยยืนยันการทดลองครั้งแรกเกี่ยวกับผลกระทบนี้

การยืนยันการทดลองของเอฟเฟกต์ดอปเปลอร์

การยืนยันความถูกต้องของเหตุผลของ Christian Doppler นั้นเกี่ยวข้องกับสิ่งที่น่าสนใจและผิดปกติประการหนึ่ง การทดลองทางกายภาพ- ใน 1845 นักอุตุนิยมวิทยาจากฮอลแลนด์ คริสเตียน บัลล็อตทรงใช้หัวรถจักรอันทรงพลังและวงออเคสตราที่ประกอบด้วยนักดนตรีที่มีระดับเสียงที่สมบูรณ์แบบ นักดนตรีบางคน - เหล่านี้เป็นนักเป่าแตร - ขี่บนพื้นที่เปิดโล่งของรถไฟและเล่นโน้ตเดียวกันตลอดเวลา สมมุติว่ามันคือ A ของอ็อกเทฟที่สอง

นักดนตรีคนอื่นๆ อยู่ที่สถานีเพื่อฟังเพลงที่เพื่อนร่วมงานกำลังเล่น การได้ยินอย่างสมบูรณ์ของผู้เข้าร่วมทั้งหมดในการทดลองช่วยลดโอกาสที่จะเกิดข้อผิดพลาดให้เหลือน้อยที่สุด การทดลองใช้เวลาสองวัน ทุกคนเหนื่อย เผาถ่านหินไปมาก แต่ผลลัพธ์ก็คุ้มค่า ปรากฎว่าระดับเสียงนั้นขึ้นอยู่กับความเร็วสัมพัทธ์ของแหล่งกำเนิดหรือผู้สังเกตการณ์ (ผู้ฟัง)

การใช้เอฟเฟ็กต์ดอปเปลอร์

แอปพลิเคชั่นหนึ่งที่เป็นที่รู้จักอย่างกว้างขวางที่สุดคือการกำหนดความเร็วของวัตถุที่กำลังเคลื่อนที่โดยใช้เซ็นเซอร์ความเร็ว สัญญาณวิทยุที่ส่งโดยเรดาร์จะสะท้อนจากรถยนต์และส่งคืน ในกรณีนี้ การชดเชยความถี่ที่สัญญาณส่งคืนจะสัมพันธ์โดยตรงกับความเร็วของเครื่อง เมื่อเปรียบเทียบความเร็วและความถี่ที่เปลี่ยนแปลง ทำให้สามารถคำนวณความเร็วได้

Doppler effect ใช้กันอย่างแพร่หลายในทางการแพทย์ การทำงานของอุปกรณ์นั้นขึ้นอยู่กับมัน การวินิจฉัยอัลตราซาวนด์- มีเทคนิคแยกกันในอัลตราซาวนด์ที่เรียกว่า ดอปเปลอร์กราฟี.

มีการใช้เอฟเฟกต์ดอปเปลอร์ด้วย เลนส์, อะคูสติก, วิทยุอิเล็กทรอนิกส์, ดาราศาสตร์, เรดาร์.

อนึ่ง! สำหรับผู้อ่านของเราตอนนี้มีส่วนลด 10% สำหรับ

มีการค้นพบเอฟเฟกต์ดอปเปลอร์ บทบาทที่สำคัญระหว่างการก่อตัว ฟิสิกส์สมัยใหม่- หนึ่งในการยืนยัน ทฤษฎี บิ๊กแบง ขึ้นอยู่กับผลกระทบนี้ ปรากฏการณ์ดอปเปลอร์และบิ๊กแบงเกี่ยวข้องกันอย่างไร ตามทฤษฎีบิกแบง จักรวาลกำลังขยายตัว

เมื่อสังเกตกาแลคซีไกลโพ้น จะสังเกตเห็นการเคลื่อนตัวของสีแดง ซึ่งเป็นการเลื่อนของเส้นสเปกตรัมไปทางด้านสีแดงของสเปกตรัม เมื่ออธิบายการเลื่อนสีแดงโดยใช้ปรากฏการณ์ดอปเปลอร์ เราสามารถสรุปได้สอดคล้องกับทฤษฎีที่ว่า กาแลคซีกำลังเคลื่อนตัวออกจากกัน จักรวาลกำลังขยายตัว

สูตรสำหรับเอฟเฟกต์ดอปเปลอร์

เมื่อทฤษฎีเอฟเฟกต์ดอปเปลอร์ถูกวิพากษ์วิจารณ์ ข้อโต้แย้งประการหนึ่งของฝ่ายตรงข้ามของนักวิทยาศาสตร์ก็คือความจริงที่ว่าทฤษฎีนี้มีเพียงแปดหน้าเท่านั้น และที่มาของสูตรสำหรับเอฟเฟกต์ดอปเปลอร์นั้นไม่มีการคำนวณทางคณิตศาสตร์ที่ยุ่งยาก ในความเห็นของเรา นี่เป็นเพียงข้อดีเท่านั้น!

อนุญาต คุณ – ความเร็วของเครื่องรับสัมพันธ์กับตัวกลาง โวลต์ – ความเร็วของแหล่งกำเนิดคลื่นสัมพันธ์กับตัวกลาง กับ - ความเร็วการแพร่กระจายของคลื่นในตัวกลาง w0 - ความถี่ของคลื่นแหล่งกำเนิด จากนั้นสูตรสำหรับเอฟเฟกต์ดอปเปลอร์นั้นเอง กรณีทั่วไปจะมีลักษณะเช่นนี้:

ที่นี่ ว – ความถี่ที่ผู้รับจะบันทึก

ผลกระทบของดอปเปลอร์เชิงสัมพัทธภาพ

ตรงกันข้ามกับเอฟเฟกต์ดอปเปลอร์แบบดั้งเดิม เมื่อคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าแพร่กระจายในสุญญากาศ เพื่อคำนวณเอฟเฟกต์ดอปเปลอร์ ควรใช้ SRT และควรคำนึงถึงการขยายเวลาเชิงสัมพันธ์ด้วย ปล่อยให้แสงสว่าง - กับ , โวลต์ – ความเร็วของแหล่งกำเนิดสัมพันธ์กับเครื่องรับ ทีต้า – มุมระหว่างทิศทางไปยังแหล่งกำเนิดและเวกเตอร์ความเร็วที่เกี่ยวข้องกับระบบอ้างอิงของผู้รับ จากนั้นสูตรสำหรับเอฟเฟกต์ดอปเปลอร์เชิงสัมพันธ์จะมีลักษณะดังนี้:

วันนี้เราพูดถึงผลกระทบที่สำคัญที่สุดของโลก - ผลกระทบดอปเปลอร์ คุณต้องการเรียนรู้วิธีการแก้ปัญหาเอฟเฟกต์ Doppler อย่างรวดเร็วและง่ายดายหรือไม่? ถามพวกเขาแล้วพวกเขาก็ยินดีที่จะแบ่งปันประสบการณ์! และในตอนท้าย - เพิ่มเติมอีกเล็กน้อยเกี่ยวกับทฤษฎีบิ๊กแบงและปรากฏการณ์ดอปเปลอร์

คุณเคยสังเกตไหมว่าเสียงไซเรนของรถมี ความสูงที่แตกต่างกันเมื่อมันเข้ามาใกล้หรือเคลื่อนตัวออกไปเมื่อเทียบกับคุณ?

ความแตกต่างในความถี่ของเสียงนกหวีดหรือเสียงไซเรนของรถไฟหรือรถยนต์ที่กำลังเคลื่อนตัวและกำลังเข้าใกล้อาจเป็นตัวอย่างที่ชัดเจนและแพร่หลายที่สุดของปรากฏการณ์ดอปเปลอร์ คริสเตียน ดอปเปลอร์ นักฟิสิกส์ชาวออสเตรียค้นพบในทางทฤษฎี ผลกระทบนี้จะเกิดขึ้นในภายหลัง บทบาทสำคัญในด้านวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี

สำหรับผู้สังเกตการณ์ ความยาวคลื่นของรังสีจะมี ความหมายที่แตกต่างกันด้วยความเร็วที่แตกต่างกันของแหล่งกำเนิดที่สัมพันธ์กับผู้สังเกต เมื่อแหล่งกำเนิดเข้าใกล้ ความยาวคลื่นจะลดลง และเมื่อมันเคลื่อนออกไป ความยาวคลื่นก็จะเพิ่มขึ้น ดังนั้นความถี่จึงเปลี่ยนแปลงตามความยาวคลื่นด้วย ดังนั้นความถี่ของการเป่านกหวีดของรถไฟที่กำลังเข้าใกล้จึงสูงกว่าความถี่ของการเป่านกหวีดอย่างเห็นได้ชัดในขณะที่รถไฟเคลื่อนตัวออกไป จริงๆ แล้ว นี่คือแก่นแท้ของปรากฏการณ์ดอปเปลอร์

เอฟเฟกต์ดอปเปลอร์รองรับการทำงานของเครื่องมือวัดและการวิจัยหลายชนิด ปัจจุบันมีการใช้กันอย่างแพร่หลายในด้านการแพทย์ การบิน อวกาศ และแม้กระทั่งในชีวิตประจำวัน เอฟเฟกต์ Doppler ขับเคลื่อนการนำทางด้วยดาวเทียมและเรดาร์บนถนน เครื่องอัลตราซาวนด์ และสัญญาณเตือนภัย ปรากฏการณ์ดอปเปลอร์ถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายใน การวิจัยทางวิทยาศาสตร์- บางทีเขาอาจจะเป็นที่รู้จักดีที่สุดในด้านดาราศาสตร์

คำอธิบายของผลกระทบ

เพื่อให้เข้าใจถึงธรรมชาติของปรากฏการณ์ดอปเปลอร์ เพียงแค่มองไปที่ผิวน้ำ วงกลมบนน้ำแสดงให้เห็นองค์ประกอบทั้งสามของคลื่นได้อย่างสมบูรณ์แบบ ลองจินตนาการว่าทุ่นลอยที่อยู่กับที่จะสร้างวงกลมขึ้นมา ในกรณีนี้ คาบจะสอดคล้องกับเวลาที่ผ่านไประหว่างการแผ่รังสีของวงกลมหนึ่งกับวงกลมถัดไป ความถี่เท่ากับจำนวนวงกลมที่ปล่อยออกมาจากการลอยตัวในช่วงเวลาหนึ่ง ความยาวคลื่นจะเท่ากับความแตกต่างในรัศมีของวงกลมที่ปล่อยออกมาสองวงติดต่อกัน (ระยะห่างระหว่างยอดสองยอดที่อยู่ติดกัน)

ลองจินตนาการว่ามีเรือกำลังเข้าใกล้ทุ่นที่อยู่กับที่นี้ เนื่องจากมันเคลื่อนที่ไปทางสันเขา ความเร็วของเรือจะถูกบวกเข้ากับความเร็วของการแพร่กระจายของวงกลม ดังนั้นความเร็วของสันเขาที่กำลังสวนมาจะเพิ่มขึ้นเมื่อเทียบกับเรือ ความยาวคลื่นจะลดลงพร้อมๆ กัน ดังนั้นเวลาที่จะผ่านไประหว่างการชนของวงกลมสองวงที่อยู่ติดกันที่ด้านข้างของเรือจะลดลง กล่าวอีกนัยหนึ่งระยะเวลาจะลดลงและความถี่ก็จะเพิ่มขึ้นตามไปด้วย ในทำนองเดียวกัน สำหรับเรือที่กำลังถอย ความเร็วของยอดที่จะตามทันจะลดลง และความยาวคลื่นจะเพิ่มขึ้น ซึ่งหมายถึงการเพิ่มระยะเวลาและลดความถี่

ทีนี้ลองจินตนาการว่าทุ่นนั้นอยู่ระหว่างเรือสองลำที่จอดอยู่กับที่ ยิ่งไปกว่านั้น ชาวประมงที่อยู่บนเรือลำหนึ่งก็ดึงทุ่นเข้าหาตัวเอง เมื่อได้รับความเร็วสัมพันธ์กับพื้นผิว ลูกลอยจะยังคงปล่อยวงกลมเดียวกันทุกประการ อย่างไรก็ตาม จุดศูนย์กลางของแต่ละวงกลมที่ตามมาจะเลื่อนสัมพันธ์กับจุดศูนย์กลางของวงกลมก่อนหน้าไปทางเรือที่ขบวนแห่กำลังเข้าใกล้ ดังนั้นด้านข้างของเรือลำนี้ระยะห่างระหว่างสันเขาจะลดลง ปรากฎว่าวงกลมที่มีความยาวคลื่นลดลง ดังนั้นด้วยระยะเวลาที่ลดลงและความถี่ที่เพิ่มขึ้น จะมาถึงเรือพร้อมกับชาวประมงดึงทุ่น ในทำนองเดียวกัน คลื่นที่มีความยาว ระยะเวลา และความถี่ลดลงก็จะไปถึงชาวประมงรายอื่น

ดาวหลากสี

รูปแบบของการเปลี่ยนแปลงลักษณะของคลื่นบนผิวน้ำดังกล่าวเคยถูกสังเกตเห็นโดย Christian Doppler เขาอธิบายแต่ละกรณีดังกล่าวทางคณิตศาสตร์และประยุกต์ข้อมูลที่ได้รับกับเสียงและแสงซึ่งมีลักษณะของคลื่นด้วย ดอปเปลอร์แนะนำว่าสีของดาวฤกษ์ขึ้นอยู่กับความเร็วที่พวกมันเข้าใกล้หรือเคลื่อนตัวออกจากเราโดยตรง เขาสรุปสมมติฐานนี้ในบทความที่เขานำเสนอในปี 1842

โปรดทราบว่าดอปเปลอร์เข้าใจผิดเกี่ยวกับสีของดวงดาว เขาเชื่อว่าดวงดาวทุกดวงเปล่งแสง สีขาวซึ่งต่อมาจะบิดเบี้ยวเนื่องจากความเร็วสัมพันธ์กับผู้สังเกต ที่จริงแล้ว ปรากฏการณ์ดอปเปลอร์ไม่ส่งผลต่อสีของดาวฤกษ์ แต่ส่งผลต่อรูปแบบของสเปกตรัมของมันด้วย สำหรับดาวฤกษ์ที่เคลื่อนที่ออกไปจากเรา เส้นมืดทั้งหมดของสเปกตรัมจะเพิ่มความยาวคลื่น - เลื่อนไปทางด้านสีแดง ผลกระทบนี้เป็นที่ยอมรับในทางวิทยาศาสตร์ภายใต้ชื่อ "กะสีแดง" ในทางกลับกัน สำหรับดาวฤกษ์ที่กำลังเข้าใกล้ เส้นดังกล่าวมีแนวโน้มที่จะเป็นส่วนหนึ่งของสเปกตรัมที่มีความถี่สูงกว่า นั่นคือสีม่วง

คุณลักษณะของเส้นสเปกตรัมนี้ซึ่งอิงตามสูตรของดอปเปลอร์ ได้รับการทำนายทางทฤษฎีในปี พ.ศ. 2391 โดยนักฟิสิกส์ชาวฝรั่งเศส Armand Fizeau สิ่งนี้ได้รับการยืนยันจากการทดลองในปี พ.ศ. 2411 โดยวิลเลียม ฮักกินส์ ซึ่งเป็นผู้มีส่วนสำคัญในการศึกษาสเปกตรัมของอวกาศ ในศตวรรษที่ 20 เอฟเฟ็กต์ดอปเปลอร์สำหรับเส้นในสเปกตรัมจะถูกเรียกว่า "การเลื่อนสีแดง" ซึ่งเราจะกลับมาอีกครั้ง

คอนเสิร์ตบนรางรถไฟ

ในปี ค.ศ. 1845 นักอุตุนิยมวิทยาชาวดัตช์ บอยส์-บัลลอต และดอปเปลอร์เอง ได้ทำการทดลองหลายครั้งเพื่อทดสอบเอฟเฟกต์ "เสียง" ของดอปเปลอร์ ในทั้งสองกรณี พวกเขาใช้เสียงแตรของรถไฟที่กำลังวิ่งเข้าและออกตามที่กล่าวไว้ก่อนหน้านี้ บทบาทของนกหวีดเล่นโดยกลุ่มนักเป่าแตรที่เล่นโน้ตบางอย่างขณะอยู่ในตู้รถไฟที่เปิดโล่ง

Beuys-Ballot ส่งคนเป่าแตรผ่านผู้ที่มีการได้ยินที่ดี ซึ่งบันทึกการเปลี่ยนแปลงในบันทึกด้วยความเร็วที่แตกต่างกันของการเรียบเรียง จากนั้นเขาก็ทำการทดลองนี้ซ้ำ โดยวางผู้เป่าแตรไว้บนแท่นและผู้ฟังอยู่ในรถม้า ดอปเปลอร์บันทึกความไม่สอดคล้องกันของโน้ตของคนเป่าแตรสองกลุ่มที่เข้ามาใกล้และเคลื่อนตัวออกไปจากเขาพร้อมกันโดยเล่นโน้ตตัวเดียว

ในทั้งสองกรณี เอฟเฟ็กต์ดอปเปลอร์ของคลื่นเสียงได้รับการยืนยันเรียบร้อยแล้ว ยิ่งกว่านั้นเราแต่ละคนสามารถทำการทดลองนี้ได้ใน ชีวิตประจำวันและยืนยันด้วยตัวคุณเอง ดังนั้นแม้ว่าข้อเท็จจริงที่ว่าเอฟเฟกต์ Doppler จะถูกวิพากษ์วิจารณ์จากคนรุ่นเดียวกัน แต่การวิจัยเพิ่มเติมก็ไม่อาจปฏิเสธได้

ตามที่ระบุไว้ก่อนหน้านี้ เอฟเฟกต์ Doppler ใช้เพื่อกำหนดความเร็ว วัตถุอวกาศสัมพันธ์กับผู้สังเกต

เส้นสีเข้มบนสเปกตรัมของวัตถุในจักรวาลในตอนแรกมักจะอยู่ในตำแหน่งที่ตายตัวอย่างเคร่งครัด ตำแหน่งนี้สอดคล้องกับความยาวคลื่นการดูดกลืนแสงขององค์ประกอบเฉพาะ สำหรับวัตถุที่กำลังเข้าใกล้หรือถอยหลัง แถบทั้งหมดจะเปลี่ยนตำแหน่งเป็นบริเวณสีม่วงหรือสีแดงของสเปกตรัม ตามลำดับ การเปรียบเทียบ เส้นสเปกตรัมทางโลก องค์ประกอบทางเคมีด้วยเส้นที่คล้ายกันบนสเปกตรัมของดวงดาว เราสามารถประมาณได้ว่าวัตถุกำลังเข้าใกล้หรือเคลื่อนออกจากเราเร็วแค่ไหน

การเปลี่ยนแปลงสีแดงในสเปกตรัมของกาแลคซีถูกค้นพบโดยนักดาราศาสตร์ชาวอเมริกัน เวสโต สลิเวอร์ ในปี พ.ศ. 2457 เอ็ดวิน ฮับเบิล เพื่อนร่วมชาติของเขาเปรียบเทียบระยะทางกับกาแลคซีที่เขาค้นพบกับขนาดของการเปลี่ยนแปลงสีแดง ดังนั้นในปี 1929 เขาได้ข้อสรุปว่ายิ่งกาแลคซีอยู่ไกลเท่าไร มันก็จะเคลื่อนตัวออกจากเราเร็วขึ้นเท่านั้น เมื่อปรากฎในภายหลัง กฎหมายที่เขาค้นพบนั้นค่อนข้างไม่ถูกต้องและไม่ได้อธิบายอย่างถูกต้องนัก รูปภาพจริง- อย่างไรก็ตาม ฮับเบิลได้กำหนดแนวโน้มที่เหมาะสมสำหรับ การวิจัยเพิ่มเติมนักวิทยาศาสตร์คนอื่นๆ ที่จะแนะนำแนวคิดเรื่องการเปลี่ยนแปลงทางจักรวาลวิทยาในภายหลัง

ต่างจากดอปเปลอร์เรดชิฟต์ซึ่งเกิดจากการเคลื่อนที่ที่เหมาะสมของกาแลคซีสัมพันธ์กับเรา เรดชิฟต์ทางจักรวาลวิทยาเกิดขึ้นจากการขยายตัวของอวกาศ ดังที่คุณทราบ จักรวาลกำลังขยายตัวอย่างสม่ำเสมอตลอดปริมาตรทั้งหมด ดังนั้นยิ่งกาแลคซีทั้งสองอยู่ห่างจากกันก็จะยิ่งเคลื่อนตัวออกจากกันเร็วขึ้นเท่านั้น ดังนั้นแต่ละเมกะพาร์เซกระหว่างกาแลคซีจะแยกพวกมันออกจากกันประมาณ 70 กิโลเมตรต่อวินาที ปริมาณนี้เรียกว่าค่าคงที่ฮับเบิล สิ่งที่น่าสนใจคือ ในตอนแรกฮับเบิลเองก็ประมาณค่าคงที่ของมันไว้ที่ 500 กิโลเมตร/วินาทีต่อเมกะพาร์เซก

สิ่งนี้อธิบายได้จากข้อเท็จจริงที่ว่าเขาไม่ได้คำนึงถึงข้อเท็จจริงที่ว่าการเคลื่อนไปทางสีแดงของกาแลคซีใด ๆ เป็นผลรวมของการเปลี่ยนแปลงทางสีแดงที่แตกต่างกันสองรายการ นอกจากความจริงที่ว่ากาแลคซีถูกขับเคลื่อนโดยการขยายตัวของจักรวาลแล้ว พวกมันยังสร้างการเคลื่อนที่ของมันเองด้วย หากเรดชิฟต์เชิงสัมพัทธภาพมีการแจกแจงเท่ากันในทุกระยะทาง ดังนั้นดอปเปลอร์เรดชิฟต์จะยอมรับความคลาดเคลื่อนที่คาดเดาไม่ได้มากที่สุด หลังจากทั้งหมด การเคลื่อนไหวของตัวเองกาแลคซีภายในกระจุกดาวขึ้นอยู่กับอิทธิพลของแรงโน้มถ่วงซึ่งกันและกันเท่านั้น

กาแล็กซีทั้งใกล้และไกล

ระหว่างกาแลคซีใกล้เคียง ค่าคงที่ของฮับเบิลไม่สามารถประมาณระยะห่างระหว่างกาแลคซีเหล่านั้นได้ ตัวอย่างเช่น กาแล็กซีแอนโดรเมดาที่สัมพันธ์กับเราจะมีการเคลื่อนตัวของสีม่วงทั้งหมดเมื่อเข้าใกล้ ทางช้างเผือกด้วยความเร็วประมาณ 150 กม./วินาที หากเราใช้กฎของฮับเบิล มันควรจะเคลื่อนออกจากกาแลคซีของเราด้วยความเร็ว 50 กม./วินาที ซึ่งไม่สอดคล้องกับความเป็นจริงเลย

สำหรับกาแลคซีที่อยู่ไกลออกไป การเคลื่อนไปทางสีแดงของดอปเปลอร์แทบจะมองไม่เห็น ความเร็วในการกำจัดออกจากเรานั้นขึ้นอยู่กับระยะทางโดยตรงและมีข้อผิดพลาดเล็กน้อยซึ่งสอดคล้องกับค่าคงที่ของฮับเบิล ดังนั้นควาซาร์ที่อยู่ห่างไกลที่สุดจึงเคลื่อนตัวออกไปจากเราด้วยความเร็วที่มากกว่าความเร็วแสง น่าแปลกที่สิ่งนี้ไม่ขัดแย้งกับทฤษฎีสัมพัทธภาพ เพราะนี่คือความเร็วของการขยายอวกาศ ไม่ใช่ตัววัตถุเอง ดังนั้นจึงเป็นสิ่งสำคัญที่จะต้องสามารถแยกแยะ Doppler redshift ออกจากจักรวาลวิทยาได้

เป็นที่น่าสังเกตว่าในกรณีของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ผลกระทบเชิงสัมพัทธภาพก็เกิดขึ้นเช่นกัน การบิดเบือนของเวลาและการเปลี่ยนแปลงมิติเชิงเส้นที่เกิดขึ้นเมื่อร่างกายเคลื่อนที่สัมพันธ์กับผู้สังเกตยังส่งผลต่อลักษณะของคลื่นด้วย เช่นเดียวกับกรณีใดๆ ที่มีผลกระทบเชิงสัมพัทธภาพ

แน่นอนว่าหากไม่มีปรากฏการณ์ดอปเปลอร์ซึ่งทำให้สามารถค้นพบเรดชิฟต์ได้ เราก็จะไม่ทราบเกี่ยวกับโครงสร้างขนาดใหญ่ของจักรวาล อย่างไรก็ตาม นักดาราศาสตร์เป็นหนี้สมบัติของคลื่นมากกว่านี้

เอฟเฟ็กต์ดอปเปลอร์สามารถตรวจจับการเบี่ยงเบนเล็กน้อยในตำแหน่งของดาวฤกษ์ ซึ่งสามารถสร้างขึ้นได้โดยดาวเคราะห์ที่โคจรรอบดาวฤกษ์ ด้วยเหตุนี้จึงสามารถค้นพบดาวเคราะห์นอกระบบได้หลายร้อยดวง นอกจากนี้ยังใช้เพื่อยืนยันการมีอยู่ของดาวเคราะห์นอกระบบที่ค้นพบก่อนหน้านี้โดยใช้วิธีอื่น

เล่นเอฟเฟกต์ดอปเปลอร์ บทบาทชี้ขาดในการศึกษาระบบดาวฤกษ์ใกล้ เมื่อดาวสองดวงอยู่ใกล้กันมากจนมองไม่เห็นแยกจากกัน ปรากฏการณ์ดอปเปลอร์เข้ามาช่วยเหลือนักดาราศาสตร์ ช่วยให้คุณสามารถติดตามการเคลื่อนที่ร่วมกันของดวงดาวที่มองไม่เห็นตามสเปกตรัมของมัน เช่น ระบบดาวพวกเขายังได้รับชื่อ "optical double"

การใช้เอฟเฟกต์ Doppler คุณสามารถประมาณความเร็วได้ไม่เพียงเท่านั้น วัตถุอวกาศแต่ยังรวมถึงความเร็วของการหมุน การขยายตัว ความเร็วของการไหลของบรรยากาศ และอื่นๆ อีกมากมาย ความเร็วของวงแหวนดาวเสาร์ การขยายตัวของเนบิวลา และการเต้นของดวงดาวล้วนถูกวัดด้วยเอฟเฟกต์นี้ นอกจากนี้ยังใช้เพื่อกำหนดอุณหภูมิของดาวฤกษ์ด้วย เนื่องจากอุณหภูมิยังเป็นตัวบ่งชี้การเคลื่อนที่อีกด้วย เราสามารถพูดได้ว่านักดาราศาสตร์สมัยใหม่วัดเกือบทุกอย่างที่เกี่ยวข้องกับความเร็วของวัตถุในอวกาศโดยใช้ปรากฏการณ์ดอปเปลอร์

สูตร Doppler อธิบายไว้ดังนี้:

ความถี่ของคลื่นที่เครื่องรับบันทึกอยู่ที่ไหน - ความถี่ของคลื่นที่ปล่อยออกมาจากแหล่งกำเนิด - ในสิ่งแวดล้อม และเป็นความเร็วของตัวรับและแหล่งกำเนิดสัมพันธ์กับตัวกลางยืดหยุ่นตามลำดับ

หากแหล่งกำเนิดเสียงเข้าใกล้เครื่องรับ ความเร็วของมันจะมีเครื่องหมายบวก ถ้าแหล่งกำเนิดเคลื่อนห่างจากเครื่องรับ ความเร็วของมันจะมีเครื่องหมายลบ

จากสูตรเป็นที่ชัดเจนว่าเมื่อแหล่งกำเนิดและตัวรับสัญญาณเคลื่อนที่ในลักษณะที่ระยะห่างระหว่างกันลดลง ความถี่ที่ผู้รับรับรู้จะมากกว่าความถี่แหล่งกำเนิด ถ้าระยะห่างระหว่างต้นทางกับตัวรับเพิ่มขึ้น ก็จะน้อยกว่า

เอฟเฟกต์ดอปเปลอร์เป็นพื้นฐานของเรดาร์ โดยได้รับความช่วยเหลือจากเจ้าหน้าที่ตำรวจจราจรในการกำหนดความเร็วของรถ ในทางการแพทย์ มีการใช้ Doppler effect อุปกรณ์ล้ำเสียงแยกหลอดเลือดดำออกจากหลอดเลือดแดงเมื่อทำการฉีด ด้วยปรากฏการณ์ดอปเปลอร์ นักดาราศาสตร์จึงพบว่าจักรวาลกำลังขยายตัว กาแลคซีกำลังเคลื่อนตัวออกจากกัน เมื่อใช้เอฟเฟกต์ดอปเปลอร์ พารามิเตอร์การเคลื่อนที่ของดาวเคราะห์และยานอวกาศจะถูกกำหนด

ตัวอย่างการแก้ปัญหา

ตัวอย่างที่ 1

ออกกำลังกาย	รถสองคันเข้าใกล้กันบนทางหลวงด้วยความเร็ว m/s และ m/s ตัวแรกสร้างสัญญาณเสียงที่มีความถี่ 600 Hz กำหนดความถี่ของสัญญาณที่ผู้ขับขี่รถคันที่สองจะได้ยิน: ก) ก่อนการประชุม; b) หลังการประชุม อัตราเร็วเสียงเท่ากับ 348 m/s
สารละลาย	ก่อนพบกันรถจะเข้ามาใกล้กันเช่น ระยะห่างระหว่างกันจะลดลงและแหล่งกำเนิดเสียง (รถคันแรก) เข้าใกล้เครื่องรับเสียง (รถคันที่สอง) ดังนั้นความเร็วของรถคันแรกจะเข้าสู่สูตรด้วยเครื่องหมายบวก มาคำนวณกัน: เฮิรตซ์ หลังการประชุมรถจะเคลื่อนตัวออกจากกันเช่น แหล่งกำเนิดสัญญาณเสียงจะเคลื่อนออกจากเครื่องรับ ดังนั้น ความเร็วของแหล่งกำเนิดจะเข้าสู่สูตรด้วยเครื่องหมายลบ: เฮิรตซ์
คำตอบ	ความถี่ของสัญญาณที่ผู้ขับขี่รถยนต์คันที่สองจะได้ยินก่อนพบกับรถคันแรกจะเป็น 732 Hz และหลังการประชุมคือ 616 Hz

ตัวอย่างที่ 2

ออกกำลังกาย	รถไฟเร็วจะเข้าใกล้รถไฟฟ้าที่ยืนอยู่บนรางด้วยความเร็ว 72 กม./ชม. รถไฟฟ้าปล่อยสัญญาณเสียงด้วยความถี่ 0.6 kHz กำหนดความถี่ที่ชัดเจนของสัญญาณเสียงที่คนขับรถไฟจะได้ยิน อัตราเร็วเสียงเท่ากับ 340 m/s
สารละลาย	ลองเขียนสูตรสำหรับเอฟเฟกต์ดอปเปลอร์: ในกรอบอ้างอิงที่เกี่ยวข้องกับรถไฟด่วน คนขับรถไฟด่วน (เครื่องรับสัญญาณ) นิ่งอยู่กับที่ ดังนั้น และรถไฟฟ้า (แหล่งกำเนิดสัญญาณ) เคลื่อนไปทางรถไฟด่วนด้วยความเร็ว ซึ่งมีเครื่องหมายบวก เนื่องจาก ระยะห่างระหว่างแหล่งกำเนิดและตัวรับสัญญาณของสัญญาณเสียงลดลง ลองแปลงหน่วยเป็นระบบ SI: ความเร็วการเคลื่อนที่ของรถไฟฟ้าเทียบกับรถไฟเร็ว km/h m/s; ความถี่ของสัญญาณเสียงรถไฟฟ้า kHz Hz มาคำนวณกัน: เฮิรตซ์
คำตอบ	ความถี่ที่ชัดเจนที่คนขับรถไฟเร็วจะได้ยินคือ 638 Hz

ตัวอย่างที่ 3

ออกกำลังกาย	รถไฟฟ้าวิ่งผ่านชานชาลารถไฟ ผู้สังเกตการณ์ที่ยืนอยู่บนชานชาลาได้ยินเสียงไซเรนรถไฟ รถไฟจะมาเมื่อไหร่? ผู้สังเกตการณ์ได้ยินเสียง 1,100 เฮิรตซ์ขณะที่รถไฟเคลื่อนตัวออกไป ความถี่ที่ชัดเจนของเสียงคือ 900 เฮิรตซ์ จงหาความเร็วของหัวรถจักรไฟฟ้าและความถี่ของเสียงไซเรน ความเร็วเสียงในอากาศมีค่าเท่ากับ 340 m/s
สารละลาย	เนื่องจากผู้สังเกตการณ์ยืนอยู่บนแท่นไม่นิ่ง ความเร็วของเครื่องรับจึงเท่ากับ ลองเขียนสูตรสำหรับเอฟเฟกต์ดอปเปลอร์สำหรับทั้งสองกรณีกัน ก) เมื่อรถไฟกำลังใกล้เข้ามา: b) เมื่อรถไฟเคลื่อนตัวออกไป: ให้เราแสดงความถี่ของสัญญาณเสียงไซเรนและเทียบด้านขวาของผลลัพธ์ที่เท่าเทียมกัน: