Hiệu ứng Doppler là hiện tượng vật lý, bao gồm sự thay đổi tần số của sóng tùy thuộc vào chuyển động của nguồn sóng này so với người quan sát. Khi nguồn đến gần, tần số sóng mà nó phát ra tăng lên và độ dài sóng giảm đi. Khi nguồn sóng di chuyển ra xa người quan sát, tần số của chúng giảm và bước sóng tăng.
Ví dụ, trong trường hợp sóng âm Khi nguồn âm đi ra xa thì độ cao của âm sẽ giảm và khi nguồn âm đến gần thì độ cao của âm sẽ cao hơn. Do đó, bằng cách thay đổi cao độ, bạn có thể xác định xem một đoàn tàu, một ô tô có tín hiệu âm thanh đặc biệt, v.v. đang đến gần hay đang di chuyển ra xa. Sóng điện từ cũng thể hiện hiệu ứng Doppler. Nếu nguồn bị loại bỏ, người quan sát sẽ nhận thấy sự dịch chuyển quang phổ sang phía “đỏ”, tức là. về phía sóng dài hơn và khi tiếp cận - tới "tím", tức là. về phía sóng ngắn hơn.
Hiệu ứng Doppler hóa ra lại là một khám phá cực kỳ hữu ích. Nhờ anh ta mà sự giãn nở của Vũ trụ đã được phát hiện (quang phổ của các thiên hà bị dịch chuyển về phía đỏ, do đó chúng đang di chuyển ra xa chúng ta); phương pháp chẩn đoán hệ tim mạch bằng cách xác định tốc độ dòng máu đã được phát triển; Nhiều loại radar khác nhau đã được tạo ra, bao gồm cả những radar được cảnh sát giao thông sử dụng.
Ví dụ phổ biến nhất về sự lan truyền hiệu ứng Doppler: một chiếc ô tô có còi báo động. Khi cô ấy lái xe về phía bạn hoặc rời xa bạn, bạn sẽ nghe thấy một âm thanh và khi cô ấy đi ngang qua, bạn sẽ nghe thấy một âm thanh hoàn toàn khác - âm thanh thấp hơn. Hiệu ứng Doppler không chỉ liên quan đến sóng âm thanh mà còn với bất kỳ sóng nào khác. Sử dụng hiệu ứng Doppler bạn có thể xác định tốc độ của một vật nào đó, có thể là ô tô hoặc Thiên thể, với điều kiện là chúng ta biết các thông số (tần số và bước sóng). Mọi thứ liên quan đến mạng điện thoại, Wi-Fi, cảnh báo an ninh - hiệu ứng Doppler có thể được quan sát ở mọi nơi.
Hoặc lấy đèn giao thông - đèn có màu đỏ, vàng và màu xanh lá cây. Tùy thuộc vào tốc độ chúng ta di chuyển, những màu này có thể thay đổi, nhưng không thay đổi giữa chúng mà chuyển sang màu tím: màu vàng sẽ chuyển sang màu xanh lá cây và màu xanh lá cây sẽ chuyển sang màu xanh lam.
Vâng tại sao? Nếu chúng ta di chuyển ra xa nguồn sáng và nhìn về phía sau (hoặc đèn giao thông di chuyển ra xa chúng ta), màu sắc sẽ chuyển sang màu đỏ.
Và có lẽ cần phải làm rõ rằng tốc độ mà màu đỏ có thể bị nhầm lẫn với màu xanh lá cây cao hơn nhiều so với tốc độ bạn có thể lái xe trên đường.
Trả lời
Bình luận
Bản chất của hiệu ứng Doppler là nếu một nguồn âm thanh đến gần hoặc di chuyển ra xa người quan sát, thì tần số âm thanh do nó phát ra sẽ thay đổi theo quan điểm của người quan sát. Ví dụ, âm thanh động cơ của một chiếc ô tô đi ngang qua sẽ thay đổi. Nó cao hơn khi nó đến gần bạn và đột nhiên trở nên thấp hơn khi nó bay qua bạn và bắt đầu di chuyển ra xa. Tốc độ của nguồn âm thanh càng cao thì tần số thay đổi càng lớn.
Nhân tiện, hiệu ứng này không chỉ đúng với âm thanh mà còn đúng với ánh sáng. Nó chỉ rõ ràng hơn đối với âm thanh - nó có thể được quan sát ở tốc độ tương đối thấp. bạn Ánh sáng nhìn thấy được tần số cao đến mức những thay đổi nhỏ do hiệu ứng Doppler mắt thường vô hình. Tuy nhiên, trong một số trường hợp, hiệu ứng Doppler cần được tính đến ngay cả trong thông tin vô tuyến.
Nếu bạn không đi sâu vào các định nghĩa nghiêm ngặt và cố gắng giải thích tác dụng, như người ta nói, trên ngón tay của bạn, thì mọi thứ khá đơn giản. Âm thanh (như ánh sáng hoặc tín hiệu radio) là sóng. Để rõ ràng, hãy giả sử rằng tần số của sóng nhận được phụ thuộc vào tần suất chúng ta nhận được "đỉnh" của sóng sơ đồ (). Nếu nguồn và máy thu đứng yên (vâng, tương đối với nhau), thì chúng ta sẽ nhận được các “đường gờ” có cùng tần số mà máy thu phát ra chúng. Nếu nguồn và máy thu bắt đầu tiếp cận nhau, thì chúng ta sẽ bắt đầu nhận được thường xuyên hơn, tốc độ tiếp cận càng cao - tốc độ sẽ tăng lên. Kết quả là tần số âm thanh ở máy thu sẽ cao hơn. Nếu nguồn bắt đầu di chuyển ra khỏi máy thu, thì mỗi “đường gờ” tiếp theo sẽ mất thêm một chút thời gian để đến được máy thu - chúng ta sẽ bắt đầu nhận được các “đường gờ” ít thường xuyên hơn một chút so với nguồn phát ra chúng. Tần số âm thanh ở máy thu sẽ thấp hơn.
Đây là lời giải thích trong đến một mức độ nhất định về mặt sơ đồ, nhưng Nguyên tắc chung nó phản ánh.
Nói tóm lại, sự thay đổi tần số và bước sóng quan sát được khi nguồn và máy thu chuyển động tương đối với nhau. Gắn liền với sự hữu hạn của tốc độ truyền sóng. Nếu nguồn và máy thu gần nhau hơn thì tần số tăng lên (đỉnh sóng được ghi lại thường xuyên hơn); di chuyển ra xa nhau - tần số giảm xuống (đỉnh sóng ít được ghi lại hơn). Một minh họa phổ biến về hiệu ứng này là tiếng còi của các dịch vụ đặc biệt. Nếu xe cứu thương đến gần bạn, còi báo động sẽ kêu; khi xe chạy đi, nó sẽ kêu vo vo. Một trường hợp riêng là sự lan truyền của sóng điện từ trong chân không - một thành phần tương đối tính được thêm vào đó và hiệu ứng Doppler cũng biểu hiện trong trường hợp máy thu và nguồn đứng yên so với nhau, điều này được giải thích là do tính chất của thời gian. .
Tôi sẽ cố gắng trả lời theo cách đơn giản nhất:
Hãy tưởng tượng rằng bạn đang đứng yên và mỗi giây bạn phát ra một làn sóng (ví dụ: bằng giọng nói của bạn), làn sóng này lan tỏa ra khỏi bạn với tốc độ 100 m/s.
Được biết, khi một đoàn tàu điện chuyển động nhanh đến gần một người quan sát đang đứng yên thì tín hiệu âm thanh của nó có vẻ cao hơn và khi di chuyển ra xa người quan sát thì nó xuất hiện thấp hơn tín hiệu của cùng một đoàn tàu điện nhưng đứng yên.
hiệu ứng Doppler gọi sự thay đổi tần số của sóng do máy thu ghi lại, xảy ra do sự chuyển động của nguồn sóng này và máy thu.
Nguồn chuyển động về phía máy thu dường như nén một lò xo - một sóng (Hình 5.6).
Hiệu ứng này được quan sát thấy trong quá trình truyền sóng âm (hiệu ứng âm thanh) và sóng điện từ(hiệu ứng quang học).
Hãy xem xét một số trường hợp biểu hiện hiệu ứng Doppler âm thanh .
Để máy thu sóng âm P trong môi trường khí (hoặc lỏng) đứng yên so với nó và nguồn I chuyển động ra xa máy thu với tốc độ dọc theo đường thẳng nối chúng (Hình 5.7, MỘT).
Nguồn dịch chuyển trong môi trường một khoảng thời gian bằng chu kì dao động của nó một đoạn , trong đó tần số dao động của nguồn là .
Do đó, khi nguồn chuyển động thì bước sóng trong môi trường khác với giá trị của nó với nguồn đứng yên:
,
Vận tốc pha của sóng trong môi trường là bao nhiêu.
Tần số sóng mà máy thu ghi được là
| (5.7.1) |
Nếu vectơ vận tốc nguồn hướng một góc tùy ý với vectơ bán kính nối máy thu đứng yên với nguồn (Hình 5.7, b), Cái đó
 | (5.7.2) |
Nếu nguồn đứng yên và máy thu tiếp cận nó với tốc độ dọc theo đường thẳng nối chúng (Hình 5.7, V.), thì bước sóng trong môi trường là . Tuy nhiên, tốc độ truyền sóng so với máy thu bằng , do đó tần số của sóng mà máy thu ghi được
| (5.7.3) |
Trong trường hợp khi tốc độ hướng theo một góc tùy ý so với vectơ bán kính nối máy thu chuyển động với nguồn đứng yên (Hình 5.7, G), chúng ta có:
Công thức này cũng có thể được biểu diễn dưới dạng (nếu)
| , | (5.7.6) |
trong đó là tốc độ của nguồn sóng so với máy thu và là góc giữa vectơ và . Kích cỡ, bằng hình chiếu theo hướng, gọi là vận tốc hướng tâm của nguồn.
Hiệu ứng Doppler quang học
Khi nguồn và máy thu sóng điện từ chuyển động tương đối với nhau thì người ta cũng quan sát thấy hiệu ứng Doppler , I E. sự thay đổi tần số sóng, được đăng ký bởi người nhận. Ngược lại với hiệu ứng Doppler mà chúng ta đã xem xét trong âm học, các định luật về hiện tượng này đối với sóng điện từ chỉ có thể được thiết lập trên cơ sở lý thuyết đặc biệt tính tương đối.
Mô tả mối quan hệ hiệu ứng Doppler Vì sóng điện từ trong chân không, xét đến phép biến đổi Lorentz, có dạng:
 .
| (5.7.7) |
Ở tốc độ chuyển động thấp của nguồn sóng so với máy thu, công thức tương đối tính cho hiệu ứng Doppler (5.7.7) trùng khớp với công thức cổ điển (5.7.2).
Nếu nguồn di chuyển so với máy thu dọc theo đường thẳng nối chúng thì chúng ta quan sát thấy hiệu ứng Doppler dọc .
Trường hợp tiếp cận nguồn và máy thu ()
 ,
| (5.7.8) |
và trong trường hợp loại bỏ lẫn nhau ()
 .
| (5.7.9) |
Ngoài ra, từ lý thuyết tương đối tính của hiệu ứng Doppler nó tuân theo sự tồn tại hiệu ứng Doppler ngang , được quan sát tại và , tức là trường hợp nguồn chuyển động vuông góc với đường quan sát (ví dụ nguồn chuyển động theo đường tròn thì máy thu ở giữa):
 .
| (5.7.10) |
Hiệu ứng Doppler ngang không thể giải thích được trong vật lý cổ điển. Nó đại diện cho một hiệu ứng hoàn toàn tương đối.
Như có thể thấy từ công thức (5.7.10), hiệu ứng ngang tỷ lệ với tỷ lệ, do đó nó yếu hơn nhiều so với hiệu ứng dọc tỷ lệ với (5.7.9).
TRONG trường hợp chung vectơ vận tốc tương đối có thể được phân tách thành các thành phần: một thành phần mang lại hiệu ứng dọc, thành phần kia mang lại hiệu ứng ngang.
Sự tồn tại của hiệu ứng Doppler ngang xuất phát trực tiếp từ sự giãn nở thời gian trong các hệ quy chiếu chuyển động.
Đầu tiên xác minh thử nghiệm sự tồn tại của hiệu ứng Doppler và tính đúng đắn của công thức tương đối tính (5.7.7) đã được nhận ra nhà vật lý người Mỹ G. Ives và D. Stilwell vào những năm 30. Sử dụng máy quang phổ, họ đã nghiên cứu bức xạ của các nguyên tử hydro được gia tốc tới tốc độ m/s. Năm 1938 kết quả được công bố. Tóm tắt: hiệu ứng Doppler ngang được quan sát hoàn toàn theo các phép biến đổi tần số tương đối tính (phổ phát xạ của các nguyên tử hóa ra bị dịch chuyển sang vùng tần số thấp); kết luận về sự giãn nở thời gian ở phương tiện đang chuyển động hệ thống quán tínhđếm ngược được xác nhận.
Hiệu ứng Doppler đã được ứng dụng rộng rãi trong khoa học và công nghệ. Đặc biệt vai trò lớn hiện tượng này diễn ra trong vật lý thiên văn. Dựa vào sự dịch chuyển Doppler của các vạch hấp thụ trong quang phổ của sao và tinh vân, có thể xác định vận tốc hướng tâm của các vật thể này so với Trái đất: khi sử dụng công thức (5.7.6)
 .
| (5.7.11) |
Nhà thiên văn học người Mỹ E. Hubble đã phát hiện ra vào năm 1929 một hiện tượng gọi là dịch chuyển đỏ vũ trụ và bao gồm thực tế là các vạch trong quang phổ phát xạ của các vật thể ngoài thiên hà bị dịch chuyển về phía tần số thấp hơn (bước sóng dài hơn). Hóa ra đối với mỗi vật thể, độ dịch chuyển tần số tương đối (là tần số của đường truyền trong phổ của nguồn tĩnh, là tần số quan sát được) là hoàn toàn giống nhau đối với mọi tần số. Dịch chuyển đỏ vũ trụ không gì khác hơn là hiệu ứng Doppler. Nó chỉ ra rằng Siêu thiên hà đang mở rộng, do đó các vật thể ngoài thiên hà đang di chuyển ra khỏi Thiên hà của chúng ta.
Siêu thiên hà được hiểu là tổng thể của tất cả các hệ sao. Với kính thiên văn hiện đại, bạn có thể quan sát một phần của Siêu thiên hà, bán kính quang học của nó bằng 
. Sự tồn tại của hiện tượng này đã được nhà khoa học Liên Xô A.A. Friedman dựa trên sự phát triển lý thuyết tổng quát tính tương đối.
Hubble đã thiết lập một định luật theo đó độ dịch chuyển đỏ tương đối của các thiên hà tăng tỷ lệ với khoảng cách của chúng .
Định luật Hubble có thể được viết dưới dạng
 ,
| (5.7.12) |
Ở đâu H- Hằng số Hubble. Theo nhiều nhất ước tính hiện đại, được thực hiện vào năm 2003, . (1 pc (parsec) là khoảng cách ánh sáng truyền đi trong chân không trong 3,27 năm ( 
)).
Năm 1990, nó được phóng lên quỹ đạo trên tàu con thoi Discovery. kính viễn vọng không gianđược đặt theo tên của Hubble (Hình 5.8).
 |  |
| Cơm. 5,8 | Cơm. 5,9 |
Các nhà thiên văn học từ lâu đã mơ về một chiếc kính viễn vọng có thể hoạt động trong phạm vi khả kiến nhưng vượt quá phạm vi khả kiến. khí quyển của Trái đất, điều này gây trở ngại lớn cho việc quan sát. Hubble không những không làm thất vọng những hy vọng đặt vào nó mà thậm chí còn vượt gần như mọi sự mong đợi. Ông đã mở rộng một cách đáng kinh ngạc “tầm nhìn” của nhân loại, nhìn vào những chiều sâu không thể tưởng tượng được của Vũ trụ. Trong quá trình hoạt động, kính viễn vọng không gian đã truyền 700 nghìn bức ảnh tuyệt đẹp về trái đất (Hình 5.9). Đặc biệt, ông đã giúp các nhà thiên văn học xác định tuổi chính xác Vũ trụ của chúng ta đã 13,7 tỷ năm tuổi; đã giúp xác nhận sự tồn tại của một dạng năng lượng kỳ lạ nhưng có ảnh hưởng lớn trong Vũ trụ - năng lượng tối; chứng minh sự tồn tại của lỗ đen siêu lớn; chụp lại sự rơi của sao chổi trên Sao Mộc một cách rõ ràng một cách đáng kinh ngạc; cho thấy quá trình hình thành hệ thống hành tinh phổ biến rộng rãi trong Thiên hà của chúng ta; đã phát hiện ra các tiền thiên hà nhỏ bằng cách phát hiện bức xạ do chúng phát ra khi tuổi của Vũ trụ chưa đến 1 tỷ năm.
Phương pháp đo vận tốc bằng radar radar dựa trên hiệu ứng Doppler các đồ vật khác nhau trên Trái đất (ví dụ: ô tô, máy bay, v.v.). Đo gió bằng laser là phương pháp không thể thiếu để nghiên cứu dòng chảy của chất lỏng hoặc khí. Chuyển động nhiệt hỗn loạn của các nguyên tử của vật thể phát sáng cũng gây ra sự mở rộng các vạch trong quang phổ của nó, tăng dần khi tốc độ ngày càng tăng. chuyển động nhiệt, I E. với nhiệt độ khí ngày càng tăng. Hiện tượng này có thể được sử dụng để xác định nhiệt độ của khí nóng.
Tần số cảm nhận được của sóng phụ thuộc vào tốc độ tương đối của nguồn phát.
Chắc hẳn bạn đã ít nhất một lần trong đời có cơ hội đứng bên đường có một chiếc ô tô có tín hiệu đặc biệt và còi báo động đang lao qua. Khi tiếng hú của còi báo động đến gần, cường độ của nó cao hơn, sau đó, khi chiếc xe đến gần bạn, nó sẽ thấp hơn và cuối cùng, khi chiếc xe bắt đầu di chuyển đi, nó thậm chí còn thấp hơn nữa và bạn nhận được câu quen thuộc:yyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyyymmmmmmmmmmmm—đại khái là vậy tỉ lệ. Có lẽ bạn không nhận ra điều đó, nhưng bạn đang quan sát tính chất cơ bản nhất (và hữu ích nhất) của sóng.
Sóng nói chung là một điều kỳ lạ. Hãy tưởng tượng một cái chai rỗng lủng lẳng gần bờ. Cô đi lên đi xuống, không đến gần bờ, trong khi nước như sóng xô vào bờ. Nhưng không - nước (và cái chai trong đó) vẫn giữ nguyên vị trí, chỉ dao động trong mặt phẳng vuông góc với bề mặt của bình chứa. Nói cách khác, chuyển động của môi trường trong đó sóng lan truyền không tương ứng với chuyển động của chính sóng. Ít nhất, những người hâm mộ bóng đá đã học rõ điều này và học cách áp dụng nó vào thực tế: khi gửi “sóng” quanh sân vận động, bản thân họ không chạy đi đâu cả, chỉ lần lượt đứng dậy và ngồi xuống, và “làn sóng” (ở Anh hiện tượng này thường được gọi là “Làn sóng Mexico” ") chạy quanh khán đài.
Sóng thường được mô tả Tính thường xuyên(số đỉnh sóng trên giây tại điểm quan sát) hoặc chiều dài(khoảng cách giữa hai rặng núi hoặc thung lũng liền kề). Hai đặc tính này có liên quan với nhau thông qua tốc độ truyền sóng trong môi trường, do đó, khi biết tốc độ truyền sóng và một trong các đặc tính sóng chính có thể dễ dàng tính được đặc tính kia.
Khi sóng đã bắt đầu, tốc độ truyền của nó chỉ được xác định bởi các tính chất của môi trường mà nó truyền đi - nguồn sóng không còn đóng vai trò gì nữa. Ví dụ, trên bề mặt nước, sóng, một khi bị kích thích, sau đó chỉ lan truyền do sự tương tác của lực áp suất, sức căng bề mặt và trọng lực. Sóng âm lan truyền trong không khí (và các môi trường truyền âm thanh khác) do sự truyền dẫn có hướng của chênh lệch áp suất. Và không có cơ chế truyền sóng nào phụ thuộc vào nguồn sóng. Do đó có hiệu ứng Doppler.
Chúng ta hãy nghĩ lại về ví dụ về tiếng còi hú. Đầu tiên chúng ta giả sử rằng chiếc xe đặc biệt đang đứng yên. Âm thanh từ còi báo động truyền đến chúng ta do màng đàn hồi bên trong nó tác động định kỳ lên không khí, tạo ra lực nén ở các khu vực trong đó. huyết áp cao, - xen kẽ với độ hiếm. Đỉnh nén—“đỉnh” của sóng âm—truyền qua môi trường (không khí) cho đến khi chúng đến tai chúng ta và tác động lên màng nhĩ, gửi tín hiệu đến não của chúng ta (đây là cách hoạt động của thính giác). Theo truyền thống, chúng ta gọi tần số rung động âm thanh mà chúng ta cảm nhận được là âm sắc hoặc cao độ: ví dụ: tần số rung 440 hertz mỗi giây tương ứng với nốt “A” của quãng tám đầu tiên. Vì vậy, trong khi chiếc xe đặc biệt đứng yên, chúng ta sẽ tiếp tục nghe thấy âm thanh tín hiệu không thay đổi của nó.
Nhưng ngay khi chiếc xe đặc biệt bắt đầu di chuyển theo hướng của bạn, nó sẽ thêm hiệu ứng mới. Trong khoảng thời gian từ khi phát ra đỉnh sóng này đến đỉnh sóng tiếp theo, ô tô sẽ di chuyển một đoạn về phía bạn. Nhờ đó, nguồn của mỗi đỉnh sóng tiếp theo sẽ ở gần hơn. Kết quả là sóng sẽ đến tai bạn thường xuyên hơn so với khi xe đứng yên và cường độ âm thanh mà bạn cảm nhận được sẽ tăng lên. Và ngược lại, nếu xe đặc biệt khởi hành vào hướng ngược lại, đỉnh sóng âm sẽ đến tai bạn ít thường xuyên hơn và tần số cảm nhận được của âm thanh sẽ giảm. Đây là lý do tại sao khi có xe có tín hiệu đặc biệt đi ngang qua bạn, âm thanh của còi báo động sẽ giảm đi.
Chúng tôi đã xem xét hiệu ứng Doppler liên quan đến sóng âm thanh, nhưng nó bằng nhauáp dụng cho bất kỳ người nào khác. Nếu một nguồn ánh sáng khả kiến đến gần chúng ta, bước sóng mà chúng ta nhìn thấy sẽ ngắn lại và chúng ta quan sát thấy cái gọi là ca tím(của tất cả màu sắc có thể nhìn thấy quy mô quang phổ ánh sáng màu tím tương ứng với bước sóng ngắn nhất). Nếu nguồn di chuyển ra xa, sẽ có sự dịch chuyển rõ ràng về phía phần màu đỏ của quang phổ (sóng kéo dài).
Hiệu ứng này được đặt theo tên của Christian Johann Doppler, người đầu tiên dự đoán nó về mặt lý thuyết. Hiệu ứng Doppler đã khiến tôi quan tâm suốt đời vì nó được thử nghiệm lần đầu tiên bằng thực nghiệm. Nhà khoa học người Hà Lan Christian Buys Ballot (1817-1870) đặt một ban nhạc kèn đồng vào một toa tàu mui trần, và trên sân ga tập hợp một nhóm nhạc sĩ với cao độ tuyệt đối. (Cao độ hoàn hảo là khả năng sau khi nghe một nốt nhạc có thể gọi tên chính xác nốt đó.) Mỗi khi một đoàn tàu với toa nhạc đi qua sân ga, ban nhạc kèn đồng sẽ chơi một nốt nhạc và những người quan sát (người nghe) viết ra bản nhạc mà họ đã nghe. Đúng như dự đoán, cao độ biểu kiến của âm thanh phụ thuộc trực tiếp vào tốc độ của tàu, trên thực tế, tốc độ này đã được dự đoán bởi định luật Doppler.
Hiệu ứng Doppler được sử dụng rộng rãi cả trong khoa học và đời sống hàng ngày. Trên khắp thế giới, nó được sử dụng trong các radar của cảnh sát để bắt và phạt những người vi phạm quy tắc. giao thông vượt quá tốc độ. Súng radar phát ra tín hiệu sóng vô tuyến (thường ở dải VHF hoặc vi sóng) phản xạ khỏi thân kim loại của ô tô. Tín hiệu quay trở lại radar với sự thay đổi tần số Doppler, giá trị của tín hiệu này phụ thuộc vào tốc độ của xe. Bằng cách so sánh tần số của tín hiệu đi và đến, thiết bị sẽ tự động tính toán tốc độ ô tô của bạn và hiển thị trên màn hình.
Hiệu ứng Doppler tìm thấy một ứng dụng bí truyền hơn trong vật lý thiên văn: đặc biệt là Edwin Hubble, lần đầu tiên đo khoảng cách tới thiên hà gần nhất TRÊN kính thiên văn mới nhất, đồng thời phát hiện ra chúng trong quang phổ bức xạ nguyên tử sự dịch chuyển Doppler đỏ, từ đó người ta kết luận rằng các thiên hà đang di chuyển ra xa chúng ta ( cm.Định luật Hubble). Trên thực tế, đây là một kết luận rõ ràng như thể bạn đang nhắm mắt lại, chợt nghe thấy tiếng động cơ của một chiếc ô tô mẫu mã mà bạn quen thuộc thấp hơn mức cần thiết và kết luận rằng chiếc ô tô đó đang di chuyển ra xa. Bạn. Khi Hubble cũng phát hiện ra rằng một thiên hà càng ở xa thì dịch chuyển đỏ càng mạnh (và nó bay ra xa chúng ta càng nhanh), nó nhận ra rằng Vũ trụ đang giãn nở. Đây là bước đầu tiên hướng tới lý thuyết Vụ nổ lớn - và đây là một điều nghiêm túc hơn nhiều so với một đoàn tàu có ban nhạc kèn đồng.
Christian Johann Doppler, 1803-53
Nhà vật lý người Áo. Sinh ra ở Salzburg trong một gia đình thợ nề. Đã tốt nghiệp Viện bách khoaở Vienna, vẫn giữ chức vụ giảng dạy cơ sở cho đến năm 1835, khi ông nhận được lời đề nghị làm trưởng khoa toán tại Đại học Praha, điều này vào giây phút cuối cùng đã buộc ông phải từ bỏ quyết định lâu dài của mình là di cư sang Mỹ, vì tuyệt vọng về đạt được sự công nhận trong giới học thuật ở nhà. Ông kết thúc sự nghiệp của mình với tư cách là giáo sư tại Đại học Hoàng gia Hoàng gia Vienna.
Bạn có bao giờ để ý rằng tiếng còi xe ô tô có độ cao khác nhau khi nó tiến lại gần hay di chuyển ra xa so với bạn?
Sự khác biệt về tần số của tiếng còi hoặc còi báo động của một đoàn tàu hoặc ô tô đang lùi dần và đang đến gần có lẽ là ví dụ rõ ràng và phổ biến nhất về hiệu ứng Doppler. Về mặt lý thuyết được phát hiện bởi nhà vật lý người Áo Christian Doppler, hiệu ứng này sau này sẽ phát huy tác dụng. vai trò quan trọng trong khoa học và công nghệ.
Đối với người quan sát, bước sóng của bức xạ sẽ có ý nghĩa khác nhauở các tốc độ khác nhau của nguồn so với người quan sát. Khi nguồn đến gần, bước sóng sẽ giảm và khi di chuyển ra xa, bước sóng sẽ tăng. Do đó, tần số cũng thay đổi theo bước sóng. Do đó, tần số tiếng còi của tàu đang đến gần cao hơn đáng kể so với tần số tiếng còi khi tàu chạy xa. Thực ra đây chính là bản chất của hiệu ứng Doppler.
Hiệu ứng Doppler làm nền tảng cho hoạt động của nhiều dụng cụ đo lường và nghiên cứu. Ngày nay nó được sử dụng rộng rãi trong y học, hàng không, du hành vũ trụ và thậm chí cả cuộc sống hàng ngày. Hiệu ứng Doppler cung cấp năng lượng cho việc định vị vệ tinh và radar đường bộ, máy siêu âm và báo động an ninh. Hiệu ứng Doppler đã được áp dụng rộng rãi trong nghiên cứu khoa học. Có lẽ ông được biết đến nhiều nhất trong lĩnh vực thiên văn học.
Giải thích tác dụng
Để hiểu bản chất của hiệu ứng Doppler, chỉ cần nhìn vào bề mặt nước. Các vòng tròn trên mặt nước thể hiện hoàn hảo cả ba thành phần của bất kỳ sóng nào. Hãy tưởng tượng rằng một chiếc phao cố định nào đó tạo ra các vòng tròn. Trong trường hợp này, khoảng thời gian sẽ tương ứng với thời gian trôi qua giữa lần phát ra vòng tròn này và vòng tròn tiếp theo. Tần số bằng số vòng tròn do phao phát ra trong một khoảng thời gian nhất định. Bước sóng sẽ bằng độ chênh lệch bán kính của hai vòng tròn phát ra liên tiếp (khoảng cách giữa hai đỉnh liền kề).
Hãy tưởng tượng rằng một chiếc thuyền đang đến gần chiếc phao đứng yên này. Vì nó di chuyển về phía các rặng núi nên tốc độ của con thuyền sẽ được cộng thêm vào tốc độ truyền của các vòng tròn. Do đó, so với thuyền, tốc độ của các rặng núi sắp tới sẽ tăng lên. Bước sóng sẽ giảm cùng một lúc. Do đó, thời gian trôi qua giữa lần va chạm của hai vòng tròn liền kề vào mạn thuyền sẽ giảm đi. Nói cách khác, chu kỳ sẽ giảm và theo đó, tần số sẽ tăng lên. Tương tự như vậy, đối với một chiếc thuyền đang lùi dần, tốc độ của các đỉnh sóng bắt kịp nó sẽ giảm đi và bước sóng sẽ tăng lên. Có nghĩa là tăng chu kỳ và giảm tần số.
Bây giờ hãy tưởng tượng rằng chiếc phao nằm giữa hai chiếc thuyền đứng yên. Hơn nữa, ngư dân trên một trong số họ đang kéo phao về phía mình. Đạt được tốc độ so với bề mặt, phao tiếp tục phát ra những vòng tròn giống hệt nhau. Tuy nhiên, tâm của mỗi vòng tròn tiếp theo sẽ bị dịch chuyển so với tâm của vòng tròn trước đó về phía chiếc thuyền mà phao đang tiến tới. Vì vậy, ở mạn thuyền này, khoảng cách giữa các gờ sẽ được giảm bớt. Hóa ra những vòng tròn có bước sóng giảm, do đó có chu kỳ giảm và tần số tăng, sẽ đến thuyền khi người đánh cá kéo phao. Tương tự, những con sóng có chiều dài, chu kỳ tăng lên và tần số giảm đi sẽ đến ngư dân khác.
Những ngôi sao nhiều màu
Những kiểu thay đổi đặc điểm của sóng trên mặt nước như vậy đã từng được Christian Doppler chú ý. Ông mô tả từng trường hợp như vậy bằng toán học và áp dụng dữ liệu thu được vào âm thanh và ánh sáng, những thứ cũng có tính chất sóng. Doppler cho rằng màu sắc của các ngôi sao phụ thuộc trực tiếp vào tốc độ chúng đến gần hoặc di chuyển ra xa chúng ta. Ông đã phác thảo giả thuyết này trong một bài báo trình bày năm 1842.
Lưu ý rằng Doppler đã nhầm lẫn về màu sắc của các ngôi sao. Ông tin rằng tất cả các ngôi sao đều tỏa sáng màu trắng, sau đó bị biến dạng do tốc độ của chúng so với người quan sát. Trên thực tế, hiệu ứng Doppler không ảnh hưởng đến màu sắc của các ngôi sao mà ảnh hưởng đến kiểu quang phổ của chúng. Đối với các ngôi sao di chuyển ra xa chúng ta, tất cả các vạch tối của quang phổ sẽ tăng bước sóng - chuyển sang màu đỏ. Hiệu ứng này được thiết lập trong khoa học dưới cái tên “dịch chuyển đỏ”. Ngược lại, khi các ngôi sao đến gần, các vạch có xu hướng hướng về phần quang phổ có tần số cao hơn - màu tím.
Đặc điểm này của các vạch quang phổ, dựa trên công thức Doppler, đã được nhà vật lý người Pháp Armand Fizeau dự đoán về mặt lý thuyết vào năm 1848. Điều này đã được xác nhận bằng thực nghiệm vào năm 1868 bởi William Huggins, người có đóng góp lớn cho việc nghiên cứu quang phổ của không gian. Ngay trong thế kỷ 20, hiệu ứng Doppler đối với các vạch trong quang phổ được gọi là “sự dịch chuyển đỏ”, chúng ta sẽ quay lại vấn đề này sau.
Buổi hòa nhạc trên đường ray
Năm 1845, nhà khí tượng học người Hà Lan Beuys-Ballot, và sau đó là chính Doppler, đã tiến hành một loạt thí nghiệm để kiểm tra hiệu ứng “âm thanh” Doppler. Trong cả hai trường hợp, họ đều sử dụng tác dụng đã đề cập trước đó của tiếng còi của một đoàn tàu đang đến và đang khởi hành. Vai trò của còi được thực hiện bởi các nhóm người thổi kèn, những người chơi một nốt nhạc nhất định khi ở trong toa mui trần của một đoàn tàu đang di chuyển.
Beuys-Ballot cử những người thổi kèn đi ngang qua những người có thính giác tốt, những người này ghi lại sự thay đổi trong nốt nhạc ở các tốc độ khác nhau của bố cục. Sau đó, ông lặp lại thí nghiệm này, đặt những người thổi kèn trên bục và những người nghe trên xe ngựa. Doppler ghi lại sự bất hòa trong các nốt nhạc của hai nhóm người thổi kèn, những người đến gần và di chuyển ra xa anh ta cùng lúc, chơi một nốt nhạc.
Trong cả hai trường hợp, hiệu ứng Doppler cho sóng âm đều được xác nhận thành công. Hơn nữa, mỗi chúng ta có thể tiến hành thí nghiệm này trong Cuộc sống hàng ngày và xác nhận nó cho chính mình. Do đó, mặc dù thực tế là hiệu ứng Doppler bị những người đương thời chỉ trích, nhưng nghiên cứu sâu hơn đã khiến điều đó không thể phủ nhận.
Như đã lưu ý trước đó, hiệu ứng Doppler được sử dụng để xác định tốc độ vật thể không gian tương đối với người quan sát.
Các vạch tối trên quang phổ của các vật thể vũ trụ ban đầu luôn nằm ở một vị trí cố định chặt chẽ. Vị trí này tương ứng với bước sóng hấp thụ của một nguyên tố cụ thể. Đối với một vật thể đang tiến lại gần hoặc đang lùi xa, tất cả các dải lần lượt thay đổi vị trí của chúng thành vùng màu tím hoặc màu đỏ của quang phổ. So sánh vạch quang phổ trần gian nguyên tố hóa học Với các vạch tương tự trên quang phổ của các ngôi sao, chúng ta có thể ước tính tốc độ của một vật thể đang đến gần hoặc di chuyển ra xa chúng ta.
Sự dịch chuyển đỏ trong quang phổ của các thiên hà được nhà thiên văn học người Mỹ Vesto Slifer phát hiện vào năm 1914. Người đồng hương của ông, Edwin Hubble, đã so sánh khoảng cách đến các thiên hà được ông phát hiện với độ lớn của sự dịch chuyển đỏ của chúng. Vì vậy, vào năm 1929, ông đã đi đến kết luận rằng thiên hà càng ở xa thì nó càng di chuyển ra xa chúng ta nhanh hơn. Hóa ra sau này, định luật mà ông phát hiện ra khá không chính xác và không mô tả chính xác lắm Hình ảnh thật. Tuy nhiên, Hubble đã đặt ra xu hướng đúng đắn cho nghiên cứu sâu hơn các nhà khoa học khác, những người sau này đưa ra khái niệm dịch chuyển đỏ vũ trụ.
Không giống như dịch chuyển đỏ Doppler, phát sinh từ chuyển động riêng của các thiên hà so với chúng ta, dịch chuyển đỏ vũ trụ phát sinh từ sự giãn nở của không gian. Như bạn đã biết, Vũ trụ đang giãn nở đồng đều trong toàn bộ thể tích của nó. Do đó, hai thiên hà càng ở xa nhau thì chúng càng di chuyển ra xa nhau nhanh hơn. Vì vậy, mỗi megaparsec giữa các thiên hà sẽ khiến chúng cách xa nhau khoảng 70 km mỗi giây. Đại lượng này được gọi là hằng số Hubble. Điều thú vị là bản thân Hubble ban đầu ước tính hằng số của nó lên tới 500 km/s trên megaparsec.
Điều này được giải thích là do ông đã không tính đến thực tế là độ dịch chuyển đỏ của bất kỳ thiên hà nào là tổng của hai độ dịch chuyển đỏ khác nhau. Ngoài việc bị thúc đẩy bởi sự giãn nở của Vũ trụ, các thiên hà còn trải qua những chuyển động riêng của chúng. Nếu dịch chuyển đỏ tương đối tính có cùng phân bố cho mọi khoảng cách thì dịch chuyển đỏ Doppler chấp nhận những khác biệt khó đoán nhất. Rốt cuộc phong trào riêng các thiên hà trong cụm của chúng chỉ phụ thuộc vào ảnh hưởng hấp dẫn lẫn nhau.
Các thiên hà gần và xa
Giữa các thiên hà lân cận, hằng số Hubble thực tế không thể áp dụng để ước tính khoảng cách giữa chúng. Ví dụ, thiên hà Andromeda so với chúng ta có sự dịch chuyển màu tím toàn phần khi nó đến gần dải Ngân Hà với tốc độ khoảng 150 km/s. Nếu chúng ta áp dụng định luật Hubble cho nó, thì nó sẽ chuyển động ra xa thiên hà của chúng ta với tốc độ 50 km/s, vận tốc này hoàn toàn không phù hợp với thực tế.
Đối với các thiên hà ở xa, dịch chuyển đỏ Doppler gần như không thể nhận thấy được. Tốc độ di chuyển của chúng khỏi chúng ta phụ thuộc trực tiếp vào khoảng cách và với một sai số nhỏ, nó tương ứng với hằng số Hubble. Vì vậy, các chuẩn tinh ở xa nhất đang di chuyển ra xa chúng ta với tốc độ lớn hơn tốc độ ánh sáng. Thật kỳ lạ, điều này không mâu thuẫn với thuyết tương đối, bởi vì đây là tốc độ giãn nở của không gian chứ không phải bản thân các vật thể. Do đó, điều quan trọng là có thể phân biệt được dịch chuyển đỏ Doppler với dịch chuyển vũ trụ.
Cũng cần lưu ý rằng trong trường hợp sóng điện từ, các hiệu ứng tương đối tính cũng xảy ra. Sự biến dạng kèm theo của thời gian và những thay đổi về kích thước tuyến tính khi vật chuyển động so với người quan sát cũng ảnh hưởng đến đặc tính của sóng. Như trong mọi trường hợp với hiệu ứng tương đối tính
Tất nhiên, nếu không có hiệu ứng Doppler, hiệu ứng cho phép phát hiện ra dịch chuyển đỏ, chúng ta sẽ không biết về cấu trúc quy mô lớn của Vũ trụ. Tuy nhiên, các nhà thiên văn học còn nợ nhiều hơn thế nữa nhờ tính chất này của sóng.
Hiệu ứng Doppler có thể phát hiện những sai lệch nhỏ về vị trí của các ngôi sao, điều này có thể được tạo ra bởi các hành tinh quay quanh chúng. Nhờ đó, hàng trăm ngoại hành tinh đã được phát hiện. Nó cũng được sử dụng để xác nhận sự hiện diện của các ngoại hành tinh được phát hiện trước đó bằng các phương pháp khác.
Hiệu ứng Doppler đã diễn ra Vai trò quyết định trong nghiên cứu các hệ sao gần. Khi hai ngôi sao ở gần nhau đến mức không thể nhìn thấy chúng riêng lẻ, hiệu ứng Doppler sẽ giúp ích cho các nhà thiên văn học. Nó cho phép bạn theo dõi chuyển động vô hình lẫn nhau của các ngôi sao dọc theo quang phổ của chúng. Như là hệ thống sao Họ thậm chí còn có tên là "quang kép".
Sử dụng hiệu ứng Doppler, bạn có thể ước tính không chỉ tốc độ vật thể không gian, mà còn cả tốc độ quay, giãn nở, tốc độ dòng khí quyển của nó và nhiều hơn thế nữa. Tốc độ của các vành đai Sao Thổ, sự giãn nở của tinh vân, nhịp đập của các ngôi sao đều được đo nhờ hiệu ứng này. Nó thậm chí còn được sử dụng để xác định nhiệt độ của các ngôi sao, vì nhiệt độ cũng là một chỉ số về chuyển động. Chúng ta có thể nói rằng các nhà thiên văn học hiện đại đo hầu hết mọi thứ liên quan đến vận tốc của các vật thể không gian bằng hiệu ứng Doppler.
Được đăng ký bởi người nhận, gây ra bởi sự chuyển động của nguồn và/hoặc chuyển động của người nhận. Có thể dễ dàng quan sát trong thực tế khi một ô tô có còi báo động chạy ngang qua người quan sát. Giả sử còi báo động tạo ra một âm thanh nhất định và nó không thay đổi. Khi ô tô không chuyển động so với người quan sát thì người đó sẽ nghe chính xác âm thanh mà còi báo động phát ra. Nhưng nếu ô tô di chuyển đến gần người quan sát hơn, tần số của sóng âm sẽ tăng lên (và độ dài sẽ giảm xuống) và người quan sát sẽ nghe thấy âm vực cao hơn âm thanh thực sự phát ra của còi báo động. Vào thời điểm chiếc xe đi ngang qua người quan sát, anh ta sẽ nghe thấy chính âm thanh mà còi báo động thực sự phát ra. Và khi ô tô lái xa hơn và di chuyển ra xa thay vì đến gần, người quan sát sẽ nghe thấy âm thanh thấp hơn do tần số thấp hơn (và theo đó, độ dài dài hơn) của sóng âm.
Đối với sóng truyền trong bất kỳ môi trường nào (ví dụ như âm thanh), cần phải tính đến chuyển động của cả nguồn và máy thu sóng so với môi trường này. Đối với sóng điện từ (chẳng hạn như ánh sáng), không cần bất kỳ môi trường nào để truyền, tất cả vấn đề là chuyển động tương đối nguồn và máy thu.
Điều quan trọng nữa là trường hợp khi một hạt tích điện chuyển động trong môi trường với tốc độ tương đối. Trong trường hợp này, bức xạ Cherenkov, liên quan trực tiếp đến hiệu ứng Doppler, được ghi lại trong hệ thống phòng thí nghiệm.
Ở đâu f 0 là tần số mà nguồn phát ra sóng, c- Tốc độ truyền sóng trong môi trường v- tốc độ của nguồn sóng so với môi trường (dương nếu nguồn đến gần máy thu và âm nếu nó di chuyển ra xa).
Tần số được ghi bởi máy thu cố định
bạn- tốc độ của máy thu so với môi trường (dương nếu nó di chuyển về phía nguồn).
Thay thế giá trị tần số từ công thức (1) vào công thức (2), chúng ta thu được công thức cho trường hợp tổng quát.
Ở đâu Với- tốc độ ánh sáng, v - tốc độ tương đối máy thu và nguồn (dương nếu chúng dịch chuyển ra xa nhau).
Cách quan sát hiệu ứng Doppler
Vì hiện tượng này là điển hình cho bất kỳ quá trình dao động, thì rất dễ dàng quan sát được âm thanh. Tần số dao động của âm thanh được tai cảm nhận là cao độ. Bạn cần đợi tình huống có một chiếc ô tô đang chạy nhanh đi ngang qua bạn, phát ra âm thanh chẳng hạn như còi báo động hoặc chỉ là tiếng bíp. Bạn sẽ nghe thấy rằng khi ô tô đến gần bạn, âm thanh sẽ cao hơn, sau đó khi ô tô đến gần bạn sẽ giảm mạnh và khi di chuyển ra xa, ô tô sẽ bấm còi ở nốt thấp hơn.
Ứng dụng
Radar Doppler
Liên kết
- Sử dụng hiệu ứng Doppler để đo dòng hải lưu
Quỹ Wikimedia. 2010.