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        多普勒效應(yīng)知多少等

        2013-03-11 06:58:30張建兵趙敏
        中學(xué)科技 2013年1期
        關(guān)鍵詞:觀測者鳴笛音調(diào)

        張建兵 趙敏

        人們往往有這樣的生活經(jīng)驗,當(dāng)一列火車向我們快速駛來,我們耳朵感覺到的火車鳴笛聲音要比火車實際的鳴笛音調(diào)高,亦即頻率值變大;而當(dāng)火車漸漸離我們遠(yuǎn)去時,我們耳朵感覺到的鳴笛聲音要比火車實際的鳴笛音調(diào)低,亦即頻率值變小。這個有趣的物理現(xiàn)象是由多普勒效應(yīng)所致。多普勒效應(yīng)這個物理現(xiàn)象,最早由奧地利物理學(xué)家及數(shù)學(xué)家克里斯琴·約翰·多普勒于1842年發(fā)現(xiàn)。隨后,荷蘭氣象學(xué)家拜斯·巴洛特也觀察到了這一現(xiàn)象,他讓一隊喇叭手站在一輛疾駛而過的敞篷火車上吹奏,在站臺上的他很明顯地檢測到了音調(diào)的改變。那么,究竟什么是多普勒效應(yīng)呢?

        多普勒效應(yīng)的原理

        如果將鳴笛的火車稱為聲源,人稱為觀測者,那么所謂多普勒效應(yīng),就是當(dāng)聲源與觀測者發(fā)生相對運(yùn)動時,觀測者接收到的聲波頻率與聲源實際發(fā)出的聲波頻率不同的現(xiàn)象。最初,多普勒效應(yīng)只是在聲波中被發(fā)現(xiàn),但隨著物理學(xué)的發(fā)展,逐漸在其他類型的波中,如電磁波、光波中也發(fā)現(xiàn)了多普勒效應(yīng)。

        更進(jìn)一步地分析,可以將此現(xiàn)象分為三種情況:一是觀測者靜止,聲源相對于空氣介質(zhì)運(yùn)動;二是聲源靜止,觀測者相對于空氣介質(zhì)運(yùn)動;三是聲源和觀測者同時相對于空氣介質(zhì)運(yùn)動。在上述三種情況下,觀測者聽到的聲音頻率都會發(fā)生變化。

        以第一種情況為例,設(shè)空氣介質(zhì)中的聲波波速為u,聲源的振動頻率為υ,觀察者接收到的頻率為υ'。當(dāng)聲源以速度us向著靜止的觀察者運(yùn)動時,它發(fā)出的聲波波面不再是同心圓,而是不斷向著觀測者推進(jìn),如圖1所示。

        這時,向著觀測者一側(cè)的波被擠壓,波長變短。由于在一個周期T內(nèi),聲源向觀測者運(yùn)動了usT的距離,所以在觀測者看來,聲波波長被壓縮為λ'=λ-usT,其中λ是波源相對空氣介質(zhì)不動時的波長。于是,觀測者耳朵接收到的聲波頻率為:

        這表明,當(dāng)聲源朝著觀測者運(yùn)動時,觀測者接收到的頻率υ'高于聲源頻率υ。而當(dāng)聲源遠(yuǎn)離觀測者運(yùn)動時,由于us為負(fù),因此觀測者接收到的頻率υ'低于聲源頻率υ。當(dāng)快速行駛的列車駛向我們時,汽笛聲的音調(diào)變高,而離我們遠(yuǎn)去時汽笛聲的音調(diào)變低,就是基于這個原理。

        再來說一下聲源。當(dāng)多普勒效應(yīng)產(chǎn)生的時候,聲源頻率是否也改變了呢?當(dāng)然沒有。顯而易見,如果我們不人為地調(diào)節(jié)改變聲源頻率,那么即使聲源處于運(yùn)動狀態(tài),其頻率也是不會變化的。設(shè)想在剛才的火車上坐著一個人,他聽到的聲音音調(diào)是不會因為火車運(yùn)動而發(fā)生變化的。

        多普勒效應(yīng)的應(yīng)用

        多普勒機(jī)動車超速自動監(jiān)測系統(tǒng) 多普勒機(jī)動車超速自動監(jiān)測系統(tǒng)能夠?qū)C(jī)動車輛行駛速度進(jìn)行實時、自動測量,并自動記錄車輛行駛時的速度值、車輛圖像、日期、時間、地點(diǎn)等相關(guān)信息作為執(zhí)法證明。它的出現(xiàn),極大地緩解了當(dāng)前交通管理中警力調(diào)配不足的問題,在一定程度上遏制了超速事故的發(fā)生。機(jī)動車自動檢測系統(tǒng)進(jìn)行測速的原理,就是基于多普勒效應(yīng)。多普勒車速檢測系統(tǒng)向行進(jìn)中的車輛發(fā)射頻率已知的超聲波,然后測量經(jīng)車輛反射折回的反射波頻率,根據(jù)反射波頻率的變化,對應(yīng)多普勒效應(yīng)公式,就可以計算出車輛的速度(圖2)。

        多普勒超聲診斷 多普勒效應(yīng)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域最為廣泛的應(yīng)用即為彩超技術(shù)。其實彩超并非看到了人體組織真正的顏色,而是在黑白B超圖像的基礎(chǔ)上,加上以多普勒效應(yīng)為基礎(chǔ)的“偽彩”而形成的。利用多普勒效應(yīng),我們能判定超聲圖像中血液的流動方向,以及流速的大小和性質(zhì),根據(jù)血液的流動方向及速度設(shè)計色彩,再將這種色彩疊加在二維黑白B超圖像上,就形成了我們今天見到的彩超圖像(圖3)。

        宇宙膨脹中的多普勒效應(yīng) 前面說過,多普勒效應(yīng)不僅適用于聲波,也適用于所有類型的波,包括電磁波。20世紀(jì)20年代,美國天文學(xué)家斯萊弗在研究遠(yuǎn)處的旋渦星云發(fā)出的光譜時,首先發(fā)現(xiàn)了銀河系中遙遠(yuǎn)天體發(fā)射的光線頻率變低的現(xiàn)象,即光線頻率移向光譜的紅光端,稱為紅移(圖4)。這說明這些天體在遠(yuǎn)離銀河系,并且天體離開銀河系的速度越快,紅移越大。斯萊弗通過上述現(xiàn)象,推斷旋渦星云正快速遠(yuǎn)離地球而去。多普勒效應(yīng)使人們對距離地球任意遠(yuǎn)天體運(yùn)動的研究成為可能,只要分析一下接收到的光的頻譜即可。1868年,英國天文學(xué)家哈金斯利用這種辦法,測量出天狼星的速度為46千米/秒。

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