淺談多普勒效應(yīng)

1、 一、聲波的多普勒效應(yīng) 在日常生活中，我們都會有這種經(jīng)驗：當(dāng)一列鳴著汽笛的火車經(jīng)過某觀察者時，他會發(fā)現(xiàn)火車汽笛的聲調(diào)由高變低. 為什么會發(fā)生這種現(xiàn)象呢？這是因為聲調(diào)的高低是由聲波振動頻率的不同決定的，如果頻率高，聲調(diào)聽起來就高；反之聲調(diào)聽起來就低.這種現(xiàn)象稱為多普勒效應(yīng)，它是發(fā)現(xiàn)者克里斯蒂安多普勒（Christian Doppler,1803-1853）的名字命名的， 多普勒是奧地利物理學(xué)家和數(shù)學(xué)家.他于 1842 年首先發(fā)現(xiàn)了這種效應(yīng).為了理解這一現(xiàn)象，就需要考察火車以恒定速度駛近時，汽笛發(fā)出的聲波在傳播時的規(guī)律.其結(jié)果是聲波的波長縮短，好象波被壓縮了.因此，在一定時間間隔內(nèi)傳播的波數(shù)就增加

2、了，這就是觀察者為什么會感受到聲調(diào)變高的原因；相反，當(dāng)火車駛向遠方時，聲波的波長變大，好象波被拉伸了. 因此，聲音聽起來就顯得低沉.定量分析得到 f1=（u+v0）/（u-vs）f ，其中 vs 為波源相對于介質(zhì)的速度，v0 為觀察者相對于介質(zhì)的速度，f 表示波源的固有頻率，u 表示波在靜止介質(zhì)中的傳播速度. 當(dāng)觀察者朝波源運動時，v0 取正號；當(dāng)觀察者背離波源（即順著波源）運動時，v0 取負號. 當(dāng)波源朝觀察者運動時 vs前面取負號；前波源背離觀察者運動時 vs 取正號. 從上式易知，當(dāng)觀察者與聲源相互靠近時，1 ；當(dāng)觀察者與聲源相互遠離時。 二、光波的多普勒效應(yīng) 具有波動性的光也會出現(xiàn)這種

3、效應(yīng)， 它又被稱為多普勒-斐索效應(yīng). 因為法國物理學(xué)家斐索（1819-1896）于 1848 年獨立地對來自恒星的波長偏移做了解釋， 指出了利用這種效應(yīng)測量恒星相對速度的辦法.光波與聲波的不同之處在于， 光波頻率的變化使人感覺到是顏色的變化. 如果恒星遠離我們而去，則光的譜線就向紅光方向移動，稱為紅移；如果恒星朝向我們運動，光的譜線就向紫光方向移動，稱為藍移. 三、光的多普勒效應(yīng)的應(yīng)用 20 世紀(jì) 20 年代，美國天文學(xué)家斯萊弗在研究遠處的旋渦星云發(fā)出的光譜時，首先發(fā)現(xiàn)了光譜的紅移，認(rèn)識到了旋渦星云正快速遠離地球而去.1929 年哈勃根據(jù)光譜紅移總結(jié)出著名的哈勃定律：星系的遠離速度 v 與距地

4、球的距離r 成正比，即 v=Hr,（H 為哈勃常數(shù)）.根據(jù)哈勃定律和后來更多天體紅移的測定，人們相信宇宙在長時間內(nèi)一直在膨脹，物質(zhì)密度一直在變小. 由此推知，宇宙結(jié)構(gòu)在某一時刻前是不存在的， 它只能是演化的產(chǎn)物. 因而 1948 年伽莫夫（G. Gamut）和他的同事們提出大爆炸宇宙模型. 20 世紀(jì) 60 年代以來，大爆炸宇宙模型逐漸被廣泛接受，以致被天文學(xué)家稱為宇宙的標(biāo)準(zhǔn)模型 . 多普勒-斐索效應(yīng)使人們對距地球任意遠的天體的運動的研究成為可能， 這只要分析一下接收到的光的頻譜就行了. 1868 年，英國天文學(xué)家 W. 哈金斯用這種辦法測量了天狼星的視向速度（即物體遠離我們而去的速度），得出

5、了 46 km/s 的速度值 . 光的多普勒效應(yīng)光的多普勒效應(yīng)在經(jīng)典物理學(xué)中，如果波源和觀察者之間有相對運動，那么觀察者接收到的頻率和波源的頻率就不相同了，這種現(xiàn)象叫做多普勒效應(yīng)。相對運動必須區(qū)別為：（1）波源運動，接收器靜止；（2）波源靜止，接收器運動，兩種基本情況，由波源、媒質(zhì)、接收器三者間狀態(tài)決定。對于光波來說，從相對論的觀點看來，以太作為具有彈性的傳播光波的力學(xué)媒質(zhì)的觀點是不存在的，因而在兩種情況之間不應(yīng)有任何差別。一光源在慣性系 中以速度 作勻速運動， 它相對于原點處的觀察者 的瞬間徑向速度分量為 ，和光源一道運動的觀察者 測得相繼的兩光波波峰的時間間隔為。在這段時間內(nèi)，光源和 的距

6、離增加了（考慮了時間膨脹），因而由 觀測到的波峰的時間間隔是 于是得到頻率變換式 （為光源固有頻率，為系中接收器接收光脈沖信號的頻率。） 當(dāng)光源作純粹徑向運動時，得 （ 離而去） （ 向運動） 設(shè)光線的反方向和系的軸的夾角為， 令， 代入頻率變換式得到 這就是多普勒效應(yīng)的相對論公式。在相對論范圍內(nèi)，存在著所謂橫向多普勒效應(yīng)，也就是當(dāng)相對速度的方向與觀測方向垂直時，頻率發(fā)生了變化。當(dāng)然，這完全是由時間膨脹引起的。這里又提供了一種證明自然界存在時間膨脹的方法。 多普勒效應(yīng)不僅適用于聲波，同樣也適用于光波。當(dāng)光源快速朝著我們運動時，它所發(fā)射的光會發(fā)生“藍移”，頻率增大；反之，當(dāng)光源離我們而去時，它所

7、發(fā)射的光會發(fā)生“紅移”，頻率減小。天文學(xué)家常常反過來利用多普勒效應(yīng)：把某個恒星發(fā)的光譜與正常的光譜相比較，如果光譜線“藍移”，則說明這個恒星正向著我們而來；如果光譜線“紅移”，則說明這個恒星背離我們而去。而且根據(jù)“藍移”和“紅移”量的大小還可以估算出該恒星的運動速度。 1 929 年 美 國 天 文 學(xué) 家 哈 勃 發(fā) 現(xiàn) ，河 外 星 系 普 遍 都 有 紅 移 現(xiàn) 象 。 紅 移 就 是 光 譜 線 的 波 長 變 長 了（ 或頻 率 降 低 了 ） ， 如 果 原 來 某 種 原 子 發(fā) 射 的 一 條 譜 線 的 波 長 為 0 ， 那 么 ， 從 河 外 星 系 來 的 這 種 譜

8、線 波長 總 要 比 0 大 。 通 常 用 z = ( - 0 ) / 0 來 表 示 紅 移 的 大 小 。 z 稱 為 紅 移 量 。 從 這 種 紅 移 的 特 征 看 ， 它 可 能 是 由 多 普 勒 效 應(yīng) 引 起 的 。 所 謂 多 普 勒 效 應(yīng) 是 指 當(dāng) 光 源 相 對 于 觀 測 才有 運 動 時 ，觀 測 者 收 到 的 譜 線 波 長 與 光 源 靜 止 時 發(fā) 射 的 譜 線 的 波 長 有 差 別 。舉 個 例 子 ，一 個 光 源 A 向著 觀 測 者 運 動 ，另 一 個 光 源 B 遠 離 觀 測 者 運 動 。如 果 兩 個 光 源 A 和 B 本 身

9、發(fā) 射 相 同 波 長 的 光 ，波 長 是 0 ， 那 么 觀 測 者 收 到 的 光 ， 波 長 都 不 相 同 。 他 看 到 A 光 源 的 波 長 A 要 比 0 小 ， 而 B 光 源 的 波 長 B 要 比 0 大 。 通 常 稱 A 光 源 的 波 長 紫 移 了 ， 而 B 光 源 的 波 長 紅 移 了 。 相 對 速 度 越 大 ， 紅 移 或 紫 移越 厲 害 。 采 用 多 普 勒 效 應(yīng) 的 機 制 來 解 釋 河 外 星 系 的 紅 移 ， 那 就 表 示 河 外 星 系 正 在 遠 離 我 們 。 哈 勃 還 發(fā) 現(xiàn) ，河 外 星 系 紅 移 量 的 大 小 同

10、 其 距 離 有 關(guān) 。距 離 越 近 的 星 系 紅 移 量 越 小 ，距 離 越 遠 的 星 系 紅 移 量 越 大 。這個 性 質(zhì) 通 常 叫 做 哈 勃 關(guān) 系 。它 是 表 示 越 遠 的 星 系 遠 離 我 們 的 速 度 也 越 大 。這 一 切 都 符 合 膨 脹 宇 宙 的 預(yù)言 。 哈 勃 研 究 的 星 系 ，紅 移 量 還 都 比 較 小 。都 在 z 0.0 03 的 范 圍 。哈 勃 之 后 的 幾 十 年 來 ，已 經(jīng) 發(fā) 現(xiàn) 了許 多 大 紅 移 的 星 系 。 在 目 前 已 知 星 系 中 最 大 紅 移 已 經(jīng) 達 到 z 1。 在 這 樣 大 的 范 圍

11、 中 哈 勃 關(guān) 系 仍 然 成 立 。至 今 觀 測 的 結(jié) 果 都 符 合 膨 脹 模 型 的 預(yù) 言 。 海流測量是海洋調(diào)查的重要內(nèi)容 60 年代初期，美國科學(xué)家研制出聲學(xué)海流計，它是根據(jù)聲學(xué)多普勒原理制成的測流儀器，其工作原理是通過測量聲波在流動液體中的多普勒效應(yīng)來測量海流。用它可以測量海流的深度剖面，可以測得湍流和弱流，還能在航行中連續(xù)同時測量多層海流而且精度高。 n多普勒式測量原理n 多普勒式采用兩個換能器，一個發(fā)射，一個接收，進行流體測量。發(fā)射換能器以某特定頻率向流體中發(fā)射一個聲波信號，經(jīng)流體中的固體顆粒或氣泡反射后，由接收換能器檢測到。流量計進行比較發(fā)射和接收的頻率，并計算出頻

12、率的變化。該頻率的變化與流體的流速成比例關(guān)系，由多普勒效應(yīng)可得之。多普勒效應(yīng)在科學(xué)技術(shù)中有廣泛的應(yīng)用交通警向行進中的車輛發(fā)射頻率已知的電磁波，通常是紅外線，同時測量反射波的頻率，根據(jù)反射波頻率變化的多少就能知道車輛的速度裝有多普勒測速儀的警車有時就停在公路旁，在測速的同時把車輛牌號拍攝下來，并把測得的速度自動打印在照片上 宇宙中的星球都在不停地運動測量星球上某些元素發(fā)出的光波的頻率，然后跟地球上這些元素靜止時發(fā)光的頻率對照，就可以算出星球靠近或遠離我們的速度 醫(yī)生向人體內(nèi)發(fā)射頻率已知的超聲波，超聲波被血管中的血流反射后又被儀器接收，測出反射波的頻率變化，就能知道血流的速度這種方法俗稱“彩超”，

13、可以檢查心臟、大腦和眼底血管的病變 意大利國家生物天文學(xué)計劃協(xié)意大利國家生物天文學(xué)計劃協(xié)調(diào)員克里斯蒂亞諾調(diào)員克里斯蒂亞諾科斯莫維奇科斯莫維奇：1997 年 10 月 26 日，在意大利波洛尼亞省梅迪奇納，利用一臺直徑為 32 米的射電望遠鏡啟動了一項生物天文學(xué)研究計劃，旨在尋找太陽系外具有含液態(tài)水和大氣層的行星，也就是可能存在生命的行星。繼瑞士的米歇爾梅厄在飛馬座 51 星系發(fā)現(xiàn)第一顆行星后，最近 3 年內(nèi)，由杰夫馬西領(lǐng)導(dǎo)的研究小組又在太陽系外發(fā)現(xiàn)了另外 11 顆行星。不過他們使用的僅僅是間接技術(shù)，即根據(jù)多普勒效應(yīng)的原理，從行星的重力效應(yīng)引起的恒星光譜的移動，來發(fā)現(xiàn)圍繞這顆恒星運行的巨大行星。

14、而我所提出的建議則是，利用射電望遠鏡尋找類似彗星同木星相撞時產(chǎn)生的效應(yīng)。1994 年，休梅克列維彗星的 21 塊碎片同木星相撞，發(fā)生了一場真正的宇宙災(zāi)難。當(dāng)時這顆彗星在木星的大氣層中釋放了大量的水蒸氣，在高達10000條件下的這種沖擊引起了微波激射效應(yīng) （一種類似于激光的微波輻射） 。 而架設(shè)在梅迪奇納的射電望遠鏡，在 22GHz（波長 1.35 厘米）頻率上發(fā)現(xiàn)了這些水蒸氣。因此，人們就聯(lián)想到，就像 40 億年前成群的彗星轟擊太陽系，從而在行星上儲存了產(chǎn)生生命所必須的水和有機物一樣，銀河系中幾千個恒星系已經(jīng)發(fā)生或者正在發(fā)生同樣的現(xiàn)象。 人們估計， 利用梅迪奇納的射電望遠鏡可以發(fā)現(xiàn)距離我們 5

15、0 光年的星系中進行的這種氣體釋放，從而不排除在一些行星的大氣層中發(fā)現(xiàn)水的可能性。 人們選擇已發(fā)現(xiàn)的太陽系外的 5 顆行星和 5 顆棕色矮星（質(zhì)量是太陽質(zhì)量 0.010.08 倍的木星型失敗恒星），作為首批觀測目標(biāo)。 GPS工作原理 那么，GPS 是如何給地面某一點精確定位的呢？方法有好幾種，以多普勒頻移觀測法為例，衛(wèi)星上設(shè)有信號源，在軌道上運行時不斷向地面發(fā)射固定頻率的電磁波，地面 GPS 接收儀可以接收到這種信號，根據(jù)物理學(xué)多普勒效應(yīng)，當(dāng)波源和觀測點作相對運動，地面接收到的信號頻率會發(fā)生改變，和波源發(fā)出的頻率不同。衛(wèi)星從 A 點運行到 B 點，地面接收儀能測到這段時間衛(wèi)星信號頻率變化，而這

16、種變化與接收儀所在位置及距離衛(wèi)星的長度有關(guān)。通過計算機可精確計算 A、B 點分別與接收儀的距離，以及 A、B 點的距離差值，經(jīng)過大地坐標(biāo)換算，很快便可確定 GPS 接收儀所在位置的經(jīng)度、緯度、高度。如果兩次大地定位的坐標(biāo)有變化（即使是微米量級的變化），都可以判斷地面某一點水平運動方向、速率以及垂直升降幅度。 雷達能夠迅速、準(zhǔn)確、細致地測定降水區(qū)的位置、范圍、強度、性質(zhì)，以及它們隨時間的變化情況，它是一種掌握降水動態(tài)和提供降水臨近預(yù)報的有效工具。自 1950 年代以來，天氣雷達在中尺度天氣研究中發(fā)揮了重要的作用。來自大氣中各種目標(biāo)物的雷達回波強度、回波形狀的演變，以及與之相聯(lián)系的多普勒速度，都提供了有關(guān)目標(biāo)物本身的信息，以及對流和中尺度大氣運動對該目標(biāo)物作用的信息。現(xiàn)今使用的 S 波段(10cm)和 C 波段(5cm)天氣雷達所觀測到的回波，絕大多數(shù)來自于降水，它能夠隨時探測到測站周圍一定范圍內(nèi)降水的發(fā)生、發(fā)展、消散以及移動等情況。多普勒雷達可以探測到降水云內(nèi)和晴空大氣中的水平風(fēng)場和垂直風(fēng)場，降水滴譜和大氣湍流等，可以探測冰雹、龍卷、下?lián)舯┝鞯取＠走_在天氣預(yù)報工作中的應(yīng)用主要是，進行中尺度天氣分析