Эффект Доплера: Понимание явления, его применение и формулы

Эффект Доплера – одно из главных явлений в физике волн. Для наилучшего понимания, вначале разберемся в таких понятиях как «колебания» и «волна», так как они непосредственно связанны с данным явлением.

Колебание – это процессы или движения, которые характеризуются с определенной закономерностью во временном измерении. Волна- это колебание, способное отдаляться от места появления, при этом распространяясь в среде. Волны могут характеризоваться частотой, амплитудой и длинной. Звуки, который мы слышим — это волна, т.е. механические колебания частиц воздуха, распространяющиеся от источника звука.

И так, разобравшись (плюс минус) в данных определениях, можно перейти к изучению эффекта Доплера.

Что же такое эффект Доплера

Проще всего объяснить на самом распространенном и жизненном(как минимум, данную картину вы видели не единожды)примере неподвижного наблюдателя и машины с сиреной. Представьте себя возле дороги. По направлению к вам приближается полицейская машина с включенной сиреной. Частота звука будет меняться, по отношению к вам, когда машина будет все ближе и ближе.

Когда машина окажется параллельно рядом с вами, звук будет максимально высокой частоты. Так, вы сможете услышать истинную частоту звука сирены, а как только машина поедет дальше, соответственно, и частота звука начнет сходить на нет. Вот что называют эффектом Доплера.

Восприятие частоты и длины волны излучения будет меняться в зависимости от того как движется источник излучения звука.

Кристиан Доплер пришел к данной теории, когда наблюдал за волнами на воде. В тот момент он предположил, что данные явления могут происходить и в воздухе с другими, своего рода, волнами. Так, в 1842 году появилась волновая теория которая основывается на том, что наблюдаемая частота зависит от расположения источника света. То есть при приближении она увеличивается, а при отдалении, соответственно, уменьшается. Проверить теорию о звуке получилось уже в 1845 году.

По мимо примера звуковых волн, Доплер рассматривал данный эффект и на других примерах, таких как:

• Оптический эффект
• Релятивистский эффект
• Акустический эффект
• зависимость частоты звуковых и световых колебаний

В дальнейшем, эти явление были названы его именем.

Экспериментальное подтверждение эффекта Доплера

В качестве подтверждения рассуждений Кристиана Доплера, стал физический эксперимент, который провел Христиан Баллот в 1845 году. Суть заключалась в том, что бы доказать, что высота звука напрямую зависит от скорости источника и слушателя. Как он это сделал, спросите Вы? А вот как, Христиан разделил музыкантов с абсолютным слухом на две группы, трубачи ехали на открытой площадке локомотива со скорости 40 миль/ч, а другие слушали, что исполняют их коллеги, стоя на станции.

Таким образом, двухдневный эксперимент показал такой результат - когда оркестры играют одну ноту, они находятся в диссонансе. В 1846 году им была опубликована теория, в которой рассматривается движение источника и движение наблюдателя.

Где применяется эффекта Доплера

Для чего же был открыт данный эффект и как он применим в жизни? Самым распространенным применением является определение, с помощью специальных датчиков, скорость движения объектов. Посылаемые радаром радиосигналы, отражаются от машин и возвращаются обратно.

Непосредственная связь имеется между скоростью, с которой едет машина, и смещением частоты, с которой сигналы возвращаются. Сопоставив изменение и скорость частоты, мы можем вычислить скорость.

Распространен эффект Доплера и в медицине. Именно с помощью него было основано действие приборов ультразвуковой диагностики. В УЗИ даже имеется отдельная методика - доплерография

Так же, эффект применим в:

• Астрономии
• Радиолокации
• Акустике
• Оптике
• Радиоэлектронике

В области физики данный эффект внес большой вклад при подтверждении теории Большого взрыва. Какая же связь между эффектом Доплера и Большим взрывом? Если верить теории Большого взрыва, то наша Вселенная расширяется.

В просторах удаленных галактик наблюдается красное смещение, то есть в красную сторону спектра существует некий сдвиг спектральных линий. Формирую вывод на языке эффекта Доплера, можно сказать, что: галактики удаляются друг от друга, Вселенная расширяется.

Формула для эффекта Доплера

В свое время, теория эффекта Доплера была подвергнута критике, и основным аргументом оппонентов ученого было то, что теории была расписана лишь меньше, чем на 10 листах, а итог формулы эффекта Доплера не имел значительных научных выкладок.

Формула эффекта Доплера выглядит так:

Где, u – скорость приемника относительно среды, с - скорость распространения волн в среде v – скорость источника волн относительно среды, , w0 – частота волн источника.

тогда w – частота, фиксируемая приемником

Релятивистский эффект Доплера

Стоит учесть, что при распространении электромагнитных волн в вакууме для расчета стоит использовать СТО и учитывать релятивистское замедление времени.. Формула для релятивистского эффекта Доплера представлена в данном виде:

где с - скорость света, тета – угол между направлением на источник и вектором скорости, связанным с системой отсчета приемника, v – скорость источника относительно приемника

В данной статье, мы постарались подробно рассказать о важном и так часто встречающемся в повседневной жизни эффекте нашего мира - эффекте Доплера. Согласитесь, интересно с научной точки зрения понять всю закономерность данных действий.