 |
 |
|
 |
|
|
ДОПЛЕРА ЭФФЕКТ |
| Большая советская энциклопедия (БЭС) |
изменение частоты колебаний или длины волн, воспринимаемых наблюдателем (приёмником колебаний), вследствие движения источника волн и наблюдателя относительно друг друга. Д. э. имеет место при любом волновом процессе распространения энергии. Основная причина Д. э. — изменение числа волн, укладывающихся на пути распространения между источником и приёмником. При сохранении длины волн, испускаемых источником, это приводит к изменению числа волн, достигающих приёмника в каждую секунду, т.е. к изменению частоты принимаемых колебаний.
Для упругих волн (звуковых, сейсмических) и в общем случае для электромагнитных волн (света, радиоволн) изменение частоты зависит от скорости и направления движения источника и наблюдателя относительно среды, в которой распространяется волна. Особый случай составляет распространение электромагнитных волн в свободном пространстве (Вакууме). В этом случае изменение частоты определяется только скоростью и направлением движения источника и наблюдателя относительно друг друга, что является следствием принципа относительности Эйнштейна (см. Относительности теория).
Д. э. для звуковых волн может наблюдаться непосредственно. Он проявляется в повышении тона звука, когда источник звука и наблюдатель сближаются (за 1 сек наблюдатель воспринимает большее число волн), и соответственно в понижении тона звука, когда они удаляются.
Рассмотрим Д. э. для монохроматических электромагнитных волн, распространяющихся в свободном пространстве. Если источник неподвижен относительно наблюдателя, то в системе отсчёта, связанной с наблюдателем, волна имеет ту же длину 0 = c/0, что в системе источника (с — скорость света в вакууме, 0 — частота излучаемых колебаний). Если источник равномерно движется относительно наблюдателя со скоростью v, направленной под углом к наблюдаемому лучу, то в системе наблюдателя длина волны изменится. Вдоль наблюдаемого луча изменение длины волны равно приращению расстояния за время 1/0’ (за период излучаемого колебания):
0197765985.tif
В формуле (1) — длина принимаемой волны, '0 — длина испускаемой волны, = v/c. Множитель
0107003949.tif
учитывает замедление времени в системе движущегося источника, в результате которого измеренное значение частоты '0 одного и того же колебания в системе наблюдателя оказывается ниже, чем в системе источника 0 (в этом сказывается различие течения времени в системах движущегося источника и наблюдателя — эффект специальной теории относительности).
Уравнение (1) позволяет найти частоту колебаний, воспринимаемых наблюдателем,
0104781147.tif
При движении источника к наблюдателю ( = 0, cos = 1) или от наблюдателя ( = , cos = -1) имеет место продольный Д. э.:
0108350385.tif
При сближении источника и наблюдателя частота принимаемых колебаний возрастает, при удалении — убывает. Продольный Д. э. даёт максимально возможное изменение частоты при данной скорости.
Если источник движется вокруг наблюдателя по окружности [в формуле (2) = ±/2, cos = 0], то и в этом случае воспринимаемая частота отличается от излучаемой
0102359482.tif
хотя число длин волн, укладывающихся на пути распространения, остаётся неизменным. Формула (4) определяет поперечный Д. э., обусловленный разным ходом времени в системах источника и наблюдателя. Поперечный Д. э. является эффектом второго порядка малости относительно v/c и наблюдать его значительно труднее, чем продольный. В случае сравнения частот в одной системе отсчёта, как, например, при радиолокации, поперечный Д. э. отсутствует.
В тех случаях, когда показатель преломления n среды, в которой движется источник, отличается от 1 и зависит от частоты, значение воспринимаемой частоты соответствует решению уравнения
0143799888.tif
где n () — показатель преломления, зависящий от частоты . В области частот, где эта зависимость выражена очень резко (см. Дисперсия волн), уравнение (5) может иметь несколько решений (сложный Д. э.).
В среде с изменяющимся во времени показателем преломления Д. э. возникает и при неподвижных друг относительно друга источнике и приёмнике. Подобное явление может иметь место при космической связи, когда радиолуч проходит через ионосферу (См. Ионосфера) Земли с переменным показателем преломления.
Понятие Д. э. обобщается и на изменение частоты электромагнитного излучения в гравитационном поле (эффект теории тяготения Эйнштейна). Например, некоторая линия солнечного спектра с частотой 0 будет наблюдаться на Земле как линия с частотой
0112199236.tif
где 1 и 2 — гравитационные потенциалы (См. Гравитационный потенциал) Солнца и Земли (1 и 2 < 0). При наблюдении на Земле излучения Солнца и звёзд линии смещаются под действием гравитации в область более низких частот, т.к. |1| > |2|.
Д. э. назван в честь австрийского физика К. Доплера, обосновавшего теоретически (1842) этот эффект в акустике и оптике. Русский физик В. А. Михельсон распространил его на случай среды с переменными параметрами (1899). Существование поперечного Д. э. было экспериментально подтверждено американскими физиками Г. Айвсом и Д. Стилуэллом (1938).
С момента открытия Д. э. используется для определения лучевых скоростей (См. Лучевая скорость) звёзд и вращения небесных тел. Изучение доплеровского смещения линий в спектрах удалённых галактик привело к представлению о расширении Метагалактики (см. Красное смещение, Космология). По доплеровскому уширению спектральных линий в оптическом и радиодиапазонах методами спектроскопии (См. Спектроскопия) определяются тепловые скорости атомов и ионов в звёздных атмосферах и межзвёздном газе, изучается структура внегалактических радиоисточников. В радиолокации и гидролокации Д. э. служит для определения скорости движения цели. Д. э. используется также в космической навигации. В радиолокационной астрономии с помощью Д. э. разделяют отражения от участков поверхности небесного тела с различными лучевыми скоростями.
Лит.: Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М., Теория поля, М., 1967 (Теоретическая физика, т. 2); Ландсберг Г. С., Оптика, 4 изд., М., 1957 (Общий курс физики, т. 3); Франк И. М., Эффект Доплера в преломляющей среде, «Изв. АН СССР. Серия физическая», 1942, №1—2; Сколник М., Введение в технику радиолокационных систем, пер. с англ., М., 1965.
О. Н. Ржига.
|
| Мультимедийная энциклопедия |
| изменение воспринимаемой частоты колебаний, обусловленное движением
источника или приемника волн либо и того и другого; впервые теоретически
обоснован в 1842 К. Доплером (1803-1853). Данный эффект особенно заметен в
случае звуковых волн, примером чему может служить изменение воспринимаемой
высоты тона гудка проходящего мимо поезда. Возникновение эффекта
поясняется рисунком, на котором источник волн движется влево со скоростью
v относительно неподвижного наблюдателя ("приемника"). За время t = t1 -
t0 источник проходит расстояние vt. Если l - длина волны испускаемого
звука, то число волн, укладывающихся в промежутке между источником и
приемником, увеличивается на vt/l. Если частота звука fe, то за время t
испускается fet волн. Но число frt волн, достигших приемника, меньше, чем
испущено источником, на величину vt/l. Отсюда следует, что
Это соотношение справедливо и в том случае, когда приемник движется, а
источник неподвижен. Если скорость v значительно меньше скорости звука c,
то величину l можно заменить величиной c/fe, не совершив большой ошибки.
Принимаемая частота оказывается ниже излучаемой, если источник и приемник
удаляются друг от друга, и выше излучаемой, если они сближаются. Движение
среды, в которой распространяются звуковые волны, например, ветер, дующий
в направлении приемника или от него, также приводит к изменению
регистрируемой приемником частоты.
Эффект Доплера имеет важное значение в астрономии, гидролокации и
радиолокации. В астрономии по доплеровскому сдвигу определенной частоты
испускаемого света можно судить о скорости движения звезды вдоль линии ее
наблюдения. Наиболее удивительный результат дает наблюдение доплеровского
сдвига частот света удаленных галактик: так называемое красное смещение
свидетельствует о том, что все галактики удаляются от нас со скоростями
примерно до половины скорости света, возрастающими с расстоянием. Вопрос о
том, расширяется ли Вселенная подобным образом или красное смещение
обусловлено чем-то иным, а не "разбеганием" галактик, остается открытым.
когда приемник звука находится рядом с поездом, чем когда он удалится на
расстояние vt. Движение источника звука в направлении от приемника
приводит к увеличению длины волны воспринимаемого звука, т.е. к понижению
тона.
Радиолокация - это определение местоположения объекта, обычно самолета или
ракеты, путем облучения его высокочастотными радиоволнами и последующей
регистрации отраженного сигнала. Если объект движется с большой скоростью
в направлении радиолокатора или от него, то сигнал будет принят со
значительным доплеровским сдвигом частоты, и по этому сдвигу можно
вычислить скорость объекта. Точно так же доплеровский сдвиг частоты
ультразвукового сигнала используется для определения скорости движения
подводных лодок.
См. также
<<АСТРОНОМИЯ И АСТРОФИЗИКА>>;
<<КОСМОЛОГИЯ>>;
<<РАДИОЛОКАЦИЯ>>;
<<ЗВУК И АКУСТИКА>>.
ЛИТЕРАТУРА
Гинзбург В.Л. Теоретическая физика и астрофизика. Дополнительные главы.
М., 1981
Франкфурт У.Н., Френк А.М. Оптика движущихся тел. М., 1981 |
| Бренан - Словарь научной грамотности |
Кажущееся изменение длины волны (звуковой или световой) при движении ее источника. Этот эффект наблюдается по-разному, когда источник звука или света приближается к наблюдателю или удаляется от него. Если источник волн (световых или звуковых) движется к наблюдателю, то частота волн возрастает, а их длина уменьшается, так что звук становится выше, а свет - более голубым (так называваемое фиолетовое смещение). Если же источник волн удаляется от наблюдателя, то частота волн уменьшается, т. е. звук делается ниже, а свет - краснее (красное смещение).
Часто упоминаемый пример эффекта Доплера - кажущееся изменение звука сирены полицейской или пожарной машины, когда она проезжает рядом с человеком. Астрономы используют доплеровский эффект для вычисления перемещений и направления движения небесных тел в космическом пространстве, измеряя смещения их цвета в спектре (т. е. изменения частоты световых волн, идущих от них). [Этот эффект назван по имени австрийского физика и астронома Кристиана Доплера (Doppler, 1803-1853).- Прим. перев.] См. <<расширяющаяся Вселенная>>; <<Хаббл>>. |
|
|
|
|
|
|
|
|
 |
|
 |
|
|
