Эффект доплера и обнаружение разбегания галактик кратко. отклонение реальных утлое визирования лучей антенны от номинальных. Величина отклонения частоты принятого сигнала называется доплеровским сдвигом частоты, или доплеровской частотой f д

Известно, что при приближении к неподвижному наблюдателю быстро движущегося электропоезда его звуковой сигнал кажется более высоким, а при удалении от наблюдателя – более низким, чем сигнал того же электропоезда, но неподвижного.

Эффектом Доплера называют изменение частоты волн, регистрируемых приемником, которое происходит вследствие движения источника этих волн и приемника.

Источник, двигаясь к приемнику, как бы сжимает пружину – волну (рис. 5.6).

Данный эффект наблюдается при распространении звуковых волн (акустический эффект) и электромагнитных волн (оптический эффект).

Рассмотрим несколько случаев проявления акустического эффекта Доплера .

Пусть приемник звуковых волн П в газообразной (или жидкой) среде неподвижен относительно нее, а источник И удаляется от приемника со скоростью вдоль соединяющей их прямой (рис. 5.7, а ).

Источник смещается в среде за время, равное периоду его колебаний, на расстояние , где – частота колебаний источника.

Поэтому при движении источника длина волны в среде отлична от ее значения при неподвижном источнике:

,

где – фазовая скорость волны в среде.

Частота волны, регистрируемая приемником,

(5.7.1)

Если вектор скорости источника направлен под произвольным углом к радиус-вектору , соединяющему неподвижный приемник с источником (рис. 5.7, б ), то

(5.7.2)

Если источник неподвижен, а приемник приближается к нему со скоростью вдоль соединяющей их прямой (рис. 5.7, в ), то длина волны в среде . Однако, скорость распространения волны относительно приемника равна , так что частота волны, регистрируемая приемником

В том случае, когда скорость направлена под произвольным углом к радиус-вектору , соединяющему движущийся приемник с неподвижным источником (рис. 5.7, г ), имеем:

Эту формулу можно также представить в виде (если )

где – скорость источника волны относительно приемника, а – угол между векторами и . Величина , равная проекции на направление , называется лучевой скоростью источника.

Оптический эффект Доплера

При движении источника и приемника электромагнитных волн относительно друг друга также наблюдается эффект Доплера , т.е. изменение частоты волны , регистрируемой приемником. В отличие от рассмотренного нами эффекта Доплера в акустике, закономерности этого явления для электромагнитных волн можно установить только на основе специальной теории относительности.

Соотношение, описывающее эффект Доплера для электромагнитных волн в вакууме, с учетом преобразований Лоренца, имеет вид:

.

(5.7.7)

При небольших скоростях движения источника волн относительно приемника, релятивистская формула эффекта Доплера (5.7.7) совпадает с классической формулой (5.7.2).

Если источник движется относительно приемника вдоль соединяющей их прямой, то наблюдается продольный эффект Доплера .

В случае сближения источника и приемника ()

,

(5.7.8)

а в случае их взаимного удаления ()

.

(5.7.9)

Кроме того, из релятивистской теории эффекта Доплера следует существование поперечного эффекта Доплера , наблюдающегося при и , т.е. в тех случаях, когда источник движется перпендикулярно линии наблюдения (например источник движется по окружности, приемник в центре):

.

(5.7.10)

Поперечный эффект Доплера необъясним в классической физике. Он представляет чисто релятивистский эффект.

Как видно из формулы (5.7.10), поперечный эффект пропорционален отношению , следовательно он значительно слабее продольного, который пропорционален (5.7.9).

В общем случае вектор относительной скорости можно разложить на составляющие: одна обеспечивает продольный эффект, другая – поперечный.

Существование поперечного эффекта Доплера следует непосредственно из замедления времени в движущихся системах отсчета.

Впервые экспериментальная проверка существования эффекта Доплера и правильности релятивистской формулы (5.7.7) была осуществлена американскими физиками Г. Айвсом и Д. Стилуэллом в 30-х гг. Они с помощью спектрографа исследовали излучение атомов водорода, разогнанных до скоростей м/с. В 1938 г. результаты были опубликованы. Резюме: поперечный эффект Доплера наблюдался в полном соответствии с релятивистскими преобразованиями частоты (спектр излучения атомов оказался сдвинут в низкочастотную область); вывод о замедлении времени в движущихся инерциальных системах отсчета подтвержден.

Эффект Доплера нашел широкое применение в науке и технике. Особенно большую роль это явление играет в астрофизике. На основании доплеровского смещения линий поглощения в спектрах звезд и туманностей можно определять лучевые скорости этих объектов по отношению к Земле: при по формуле (5.7.6)

.

(5.7.11)

Американский астроном Э. Хаббл обнаружил в 1929 г. явление, получившее название космологического красного смещения и состоящее в том, что линии в спектрах излучения внегалактических объектов смещены в сторону меньших частот (больших длин волн). Оказалось, что для каждого объекта относительное смещение частоты ( – частота линии в спектре неподвижного источника, – наблюдаемая частота) совершенно одинаково по всем частотам. Космологическое красное смещение есть не что иное, как эффект Доплера. Оно свидетельствует о том, что Метагалактика расширяется, так что внегалактические объекты удаляются от нашей Галактики.

Под Метагалактикой понимают совокупность всех звездных систем. В современные телескопы можно наблюдать часть Метагалактики, оптический радиус которой равен . Существование этого явления было теоретически предсказано еще в 1922 г. советским ученым А.А. Фридманом на основе развития общей теории относительности.

Хаббл установил закон, согласно которому относительное красное смещение галактик растет пропорционально расстоянию до них .

Закон Хаббла можно записать в виде

,

(5.7.12)

где H – постоянная Хаббла. По самым современным оценкам, проведенным в 2003 г., . (1 пк (парсек) – расстояние, которое свет проходит в вакууме за 3,27 лет ()).

В 1990 г. на борту шаттла «Дискавери» был выведен на орбиту космический телескоп имени Хаббла (рис. 5.8).

Рис. 5.8	Рис. 5.9

Астрономы давно мечтали о телескопе, который работал бы в видимом диапазоне, но находился за пределами земной атмосферы, сильно мешающей наблюдениям. «Хаббл» не только не обманул возлагавшихся на него надежд, но даже превзошел практически все ожидания. Он фантастически расширил «поле зрения» человечества, заглянув в немыслимые глубины Вселенной. За время своей работы космический телескоп передал на землю 700 тыс. великолепных фотографий (рис. 5.9). Он, в частности, помог астрономам определить точный возраст нашей Вселенной – 13,7 млрд. лет; помог подтвердить существование во Вселенной странной, но оказывающей огромное влияние, формы энергии – темной энергии; доказал существование сверхмассивных черных дыр; удивительно четко заснял падение кометы на Юпитер; показал, что процесс формирования планетных систем является широко распространенным в нашей Галактике; обнаружил небольшие протогалактики, зарегистрировав излучение, испущенное ими, когда возраст Вселенной составлял менее 1 млрд. лет.

На эффекте Доплера основаны радиолокационные лазерные методы измерения скоростей различных объектов на Земле (например автомобиля, самолета и др.). Лазерная анемометрия является незаменимым методом изучения потока жидкости или газа. Хаотическое тепловое движение атомов светящегося тела также вызывает уширение линий в его спектре, которое возрастает с увеличением скорости теплового движения, т.е. с повышением температуры газа. Это явление можно использовать для определения температуры раскаленных газов.

Цель работы:

Исследование зависимости доплеровского сдвига частоты от частоты источника звука и от скорости движения отражающей поверхности.

Приборы и принадлежности:

Генератор звуковой (ГЗ-44).

Генератор звуковой школьный (ГЗШ-63).

Осциллограф С-11 (138049).

Источник тока ИЭПП-2.

Регулятор напряжения (РНШ).

Излучатель высокочастотный (2ГД-36, мощность 1-2Вт)

Двойной эффект Доплера.

В 1842г. К.Доплер (австрийский физик и астроном) установил, что частота воспринимаемого звука зависит как от скорости движения источника (относительно среды) так и от скорости движения наблюдателя: она выше частоты источника 0 , если наблюдатель и источник сближаются и ниже 0 , если они удаляются. В этом состоит эффект Доплера.

При одновременном движении источника и приемника звука частота, фиксируемая приемником , определяется по формуле:

(1)

где - скорость звука в среде,

- скорости движения приемника и источника,

,
- углы, образуемые векторами скорости источника и приемника с вектором, соединяющим приемник и источник.

Если перемещение источника и наблюдателя происходит вдоль соединяющей их прямой, то cos
и формула 1 принимает вид:

(2)

Верхние знаки в формулах (1) и (2) используются, когда приемник и источник сближаются, нижние - отдаляются.

Разновидностью эффекта Доплера является, так называемый, двойной эффект Доплера - изменение частоты волн при отражении их от движущихся тел, поскольку отражающий объект можно рассматривать как приемник, а затем как переизлучатель волн.

Определим частоту доплеровского сдвига, когда приемник (микрофон - мкр рис.1) и излучатель (изл) покоятся, а движется отражающая звук пластинка (пл) со скоростью
(сближение;cos
1). На первом этапе пластинка играет роль приемника, движущегося со скоростью (
) пр, а источник звука покоится (
). Используя формулу (2) получим частоту волн попадающих на пластинку (
) пр

)пр=
(3)

На втором этапе пластинка отражает принятые (
) пр волны и является источником звука, который перемещается со скоростью навстречу микрофону.

Частота волн (
) фиксируемая микрофоном, согласно формуле (2)

(4)

Подставляя в (4) формулу (3) получим

(5)

Теперь определим, на сколько изменилась частота (доплеровский сдвиг частот).

Если падающая на пластину и отраженная от пластины волны накладываются друг на друга (как в рассмотренном случае), то наблюдается суперпозиция волн, частоты которых мало отличаются друг от друга и это приводит к появлению биений. Частота биений равна разности частот падающей и отраженной волны (
). Т.о. определив частоту биений фиксируемых микрофоном и зная скорость движения отражающей пластинки, можно определить как доплеровский сдвиг частоты, так и частоту звуковых волн отраженных подвижной пластинкой и принятой микрофоном.

(6)

Экспериментальная установка.

Схема экспериментальной установки представлена на рисунке 2. Источником звука является излучатель высокочастотный 1, преобразующий электрические колебания, создаваемые звуковым генератором 2 в звуковые волны. Звук отражается от пластин 3, которые укреплены на вращающейся платформе 4. Частоту вращения платформы можно изменять в широких пределах, меняя напряжение, подаваемое на обмотки двигателя 5 от регулятора напряжения 6 (РНШ, 0-60В).

В микрофон 7, расположенный рядом с излучателем, поступают звуковые волны непосредственно от излучателя частотой и волны, отраженные от пластин 3. Поступающий в микрофон сигнал усиливается (источник постоянного тока). Причем звуковой сигнал, отраженный от вращающихся пластин, попадает на микрофон лишь в короткие (по сравнению с периодом вращения платформы) промежутки времени, соответствующие определенному относительному положению пластин, излучателя и микрофона.

Между излучателем и микрофоном устанавливается войлочная прокладка 9 для уменьшения мощности прямого звука, попадающего в микрофон непосредственно от излучателя.

Микрофон подключен к осциллографу 10. Скорость движения пластин невелика, поэтому доплеровский сдвиг частоты много меньше частоты. На экране осциллографа наблюдается периодически появляющаяся картина биений с частотой

, являющаяся результатом сложения двух звуковых волн, попадающих в микрофон в определенные моменты времени.

Скорость сближения пластин и громкоговорителя

где R - расстояние от оси вращения до середины пластин,

- частота вращения пластин.

Выполнение работы.

ВНИМАНИЕ: Приборы включать в электрическую сеть можно только после проверки электрической цепи преподавателем.

Эффект Доплера – это физическое явление, состоящее в изменении частоты волн в зависимости от движения источника этих волн относительно наблюдателя. При приближении источника частота излучаемых им волн увеличивается, а длина уменьшается. При удалении источника волн от наблюдателя их частота уменьшается, а длина волны увеличивается.

Например, в случае звуковых волн при удалении источника высота звука понизится, а при приближении тон звука станет более высоким. Так, по изменению высоты тона можно определить, приближается или удаляется поезд, автомобиль со звуковым спецсигналом и т.д. Электромагнитные волны также демонстрируют эффект Доплера. Наблюдатель в случае удаления источника заметит смещение спектра в «красную» сторону, т.е. в сторону более длинных волн, а при приближении – в «фиолетовую», т.е. в сторону более коротких волн.

Эффект Доплера оказался крайне полезным открытием. Благодаря ему было обнаружено расширение Вселенной (спектры галактик смещены в красную сторону, следовательно, они от нас удаляются); разработан метод диагностики сердечно-сосудистой системы через определение скорости кровотока; созданы различные радары, в том числе и те, которые используются ГИБДД.

Самый популярный пример распространения эффекта Доплера: машина с сиреной. Когда она едет к тебе или от тебя, ты слышишь один звук, а когда проезжает мимо, то совершенной другой - более низкий. Эффект Доплера связан не только со звуковыми волнами, но и любыми другими. С помощью эффекта Доплера можно определить скорость чего-либо, будь это машина или небесные тела, при условии, что мы знаем параметры (частоту и длину волны). Все, что связано с телефонными сетями, вай-фаем, охранными сигнализациями - везде можно наблюдать эффект Доплера.

Или возьмем светофор - у него есть красный, желтый и зеленый цвета. В зависимости от того, с какой скоростью мы движемся, эти цвета могут меняться, но не между собой, а смещаться в сторону фиолетового: желтый будет уходить в зеленый, а зеленый в синий.

Ну почему же? Если мы движемся от источника света и смотрим назад (или светофор уезжает от нас), то цвета сдвинутся в сторону красного.

И, наверное, стоит уточнить, что скорость, на которой красный можно перепутать с зеленым, намного выше той, с которой можно ездить по дорогам.

Ответить

Прокомментировать

Суть эффекта Допплера заключается в том, что если источник звука приближается к наблюдателю или отдаляется от него, то частота звука, испускаемого им, с точки зрения наблюдателя изменяется. Так, например, изменяется звук двигателя машины, которая проезжает мимо вас. Он выше пока она приближается к вам и резко становится ниже, когда она пролетает мимо вас и начинает удаляться. Изменение частоты тем сильнее, чем выше скорость движения источника звука.

К слову, этот эффект справедлив не только для звука, но и, скажем, для света. Просто для звука он нагляднее - его можно наблюдать на относительно небольших скоростях. У видимого света настолько большая частота, что небольшие изменения за счёт эффекта Допплера невооружённым глазом незаметны. Однако, в некоторых случая эффект Допплера следует учитывать даже в радиосвязи.

Если не углубляться в строгие определения и попытаться объяснить эффект, что называется, на пальцах, то всё достаточно просто. Звук (как и свет или радиосигнал) - это волна. Для наглядности, давайте будем считать, что частота принимаемой волны зависит от того, как часто мы принимаем "гребни" схематической волны (). Если источник и приёмник будут неподвижны (да, относительно друг друга), то мы будем принимать "гребни" с той же частотой, с какой их излучает приёмник. Если же источник и приёмник начнут сближаться, то мы начнём принимать тем чаще, чем выше скорость сближения - скорости будут складываться. В итоге частота звука на приёмнике будет выше. Если же источник начнёт удаляться от приёмника, то каждому следующему "гребню" понадобится чуть больше времени, чтобы достигнуть приёмника - мы начнём принимать "гребни" чуть реже, чем их излучает источник. Частота звука на приёмнике будет ниже.

Это объяснение в известной степени схематично, но общий принцип оно отражает.

Если коротко - изменение наблюдаемой частоты и длины волны в том случае, если источник и приемник движутся относительно друг друга. Связан с конечностью скорости распространения волн. Если источник с приемником сближаются - частота растет (пик волны регистрируется чаще); удаляются друг от друга - частота падает (пик волны регистрируется реже). Оычная иллюстрация эффекта - сирена спецслужб. Если скорая к вам подъезжает - сирена визжит, отъезжает - басовито гудит. Отдельный случай - распространение электромагнитной волны в ваккууме - там добавяется еще релятивистская составляющая и допплеровский эффект проявляется и в том случае, когда приемник и источник неподвижны относительно друг друга, что объясняется свойствами времени.

Попробую ответить наиболее простым способом:
Представте, что вы стоите на месте и каждую секунду запускаете волну (например голосом), которая радиально распространяется от вас со скоростью 100 м/с.

Регистрируемых приёмником, вызванное движением их источника и/или движением приёмника. Его легко наблюдать на практике, когда мимо наблюдателя проезжает машина с включённой сиреной. Предположим, сирена выдаёт какой-то определённый тон, и он не меняется. Когда машина не движется относительно наблюдателя, тогда он слышит именно тот тон, который издаёт сирена. Но если машина будет приближаться к наблюдателю, то частота звуковых волн увеличится (а длина уменьшится), и наблюдатель услышит более высокий тон, чем на самом деле издаёт сирена. В тот момент, когда машина будет проезжать мимо наблюдателя, тот услышит тот самый тон, который на самом деле издаёт сирена. А когда машина проедет дальше и будет уже отдаляться, а не приближаться, то наблюдатель услышит более низкий тон, вследствие меньшей частоты (и, соответственно, большей длины) звуковых волн.

Для волн, распространяющихся в какой-либо среде (например, звука) нужно принимать во внимание движение как источника так и приёмника волн относительно этой среды. Для электромагнитных волн (например, света), для распространения которых не нужна никакая среда, имеет значение только относительное движение источника и приёмника.

Также важен случай, когда в среде движется заряженная частица с релятивистской скоростью. В этом случае в лабораторной системе регистрируется черенковское излучение , имеющее непосредственное отношение к эффекту Доплера.

где f 0 - частота, с которой источник испускает волны, c - скорость распространения волн в среде, v - скорость источника волн относительно среды (положительная, если источник приближается к приёмнику и отрицательная, если удаляется).

Частота, регистрируемая неподвижным приёмником

u - скорость приёмника относительно среды (положительная, если он движется по направлению к источнику).

Подставив значение частоты из формулы (1) в формулу (2), получим формулу для общего случая.

где с - скорость света, v - относительная скорость приёмника и источника (положительная в случае их удаления друг от друга).

Как наблюдать эффект Доплера

Поскольку явление характерно для любых колебательных процессов, то его очень легко наблюдать для звука. Частота звуковых колебаний воспринимается на слух как высота звука . Надо дождаться ситуации, когда быстро движущийся автомобиль будет проезжать мимо вас, издавая звук, например, сирену или просто звуковой сигнал. Вы услышите, что когда автомобиль будет приближаться к вам, высота звука будет выше, потом, когда автомобиль поравняется с вами, резко понизится и далее, при удалении, автомобиль будет сигналить на более низкой ноте .

Применение

Доплеровский радар

Ссылки

• Применение эффекта Доплера для измерения течений в океане

Wikimedia Foundation . 2010 .

В акустике изменение частоты, обусловленное эффектом Доплера, определяется скоростями движения источника и приемника по отношению к среде, являющейся носителем звуковых волн (см. формулу (103.2)). Для световых волн также существует эффект Доплера. Однако особой среды, которая служила бы носителем электромагнитных волн, не существует. Поэтому доплеровское смещение частоты световых волн определяется только относительной скоростью источника и приемника.

Свяжем с источником света начало координат системы К, а с приемником - начало координат системы К (рис. 151.1). Оси направим, как обычно, вдоль вектора скорости v, с которой система К (т. е. приемник) движется относительно системы К (т е. источника). Уравнение плоской световой волны, испускаемой источником по направлению к приемнику, будет в системе К иметь вид

Здесь и - частота волны, фиксируемая в системе отсчета, связанной с источником, т. е. частота, с которой колеблется источник. Мы предполагаем, что световая волна распространяется в вакууме; поэтому фазовая скорость равна с.

Согласно принципу относительности законы природы имеют одинаковый вид во всех инерциальных системах отсчета. Следовательно, в системе К волна (151.1) описывается уравнением

где - частота, фиксируемая в системе отсчета К т. е. частота, воспринимаемая приемником. Мы снабдили штрихами все величины, кроме с, которая одинакова во всех системах отсчета.

Уравнение волны в системе К можно получить из уравнения в системе К, перейдя от с помощью преобразований Лоренца.

Заменив в и t согласно формулам (63.16) 1-го тома, получим

(роль играет v). Последнее выражение легко привести к виду

Уравнение (151.3) описывает в системе К ту же волну, что и уравнение (151.2). Поэтому должно выполняться соотношение

Изменим обозначения: частоту источника со обозначим через а частоту приемника - через . В результате формула примет вид

Перейдя от круговой частоты к обычной, получим

(151.5)

Фигурирующая в формулах (151.4) и (151.5) скоростью приемника по отношению к источнику есть величина алгебраическая. При удалении приемника и согласно при приближении приемника к источнику так что со

В случае, если формулу (151.4) можно приближенно записать следующим образом:

Отсюда, ограничившись членами порядка получим

(151.6)

Из этой формулы можно найти относительное изменение частоты:

(151.7)

(под подразумевается ).

Можно показать, что, кроме рассмотренного нами продольного эффекта, для световых волн существует также поперечный эффект Доплера. Он заключается в уменьшении воспринимаемой приемником частоты, наблюдающемся в том случае, когда вектор относительной скорости направлен перпендикулярно к прямой, проходящей через приемник, и источник (когда, например, источник движется по окружности, в центре которой помещаемся приемник).

В этом случае частота в системе источника связана с частотой со в системе приемника соотношением

Относительное изменение частоты при поперечном эффекте Доплера

пропорционально квадрату отношения и, следовательно, значительно меньше, чем при продольном эффекте, для которого относительное изменение частоты пропорционально первой степени

Существование поперечного эффекта Доплера было доказано экспериментально Айвсом в 1938 г. В опытах Айвса определялось изменение частоты излучения атомов водорода в каналовых лучах (см. последний абзац § 85). Скорость атомов составляла примерно 106 м/с. Эти опыты представляют собой непосредственное экспериментальное подтверждение справедливости преобразований Лоренца.

В общем случае вектор относительной скорости можно разложить на две составляющие, одна из которых направлена вдоль луча, а другая - перпендикулярно к лучу. Первая составляющая обусловит продольный, вторая - поперечный эффект Доплера.

Продольный эффект Доплера используется для определения радиальной скорости звезд. Измерив относительное смещение линий в спектрах звезд, можно по формуле (151.4) определить

Тепловое движение молекул светящегося газа приводит вследствие эффекта Доплера к уширению спектральных линий. Из-за хаотичности теплового движения все направления скоростей молекул относительно спектрографа равновероятны. Поэтому в регистрируемом прибором излучении присутствуют все частоты, заключенные в интервале от до где - частота, излучаемая молекулами, v - скорость теплового движения (см. формулу (151.6)). Таким образом, регистрируемая ширина спектральной линии составит Величину

(151.10)

называют доплеровской шириной спектральной линии (под v подразумевается наиболее вероятная скорость молекул). По величине доплеровского уширения спектральных линий можно судить о скорости теплового движения молекул, а следовательно, и о температуре светящегося газа.