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多普勒效應是澳大利亞物理學家、數(shù)學家多普勒1842年首先從運動著的發(fā)聲源中發(fā)現(xiàn)的現(xiàn)象： 

              Christian J. Doppler             

 

    讓我們來首先了解一下多普勒效應。在日常生活中，我們都會有這種經(jīng)驗：當一列鳴著汽笛的火車向某觀察者駛來時，他會發(fā)現(xiàn)火車汽笛的聲調(diào)由低變高；當火車遠離時，聲調(diào)則由高變低。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。

    多普勒效應是指物體輻射的波長因為光源和觀測者的相對運動而產(chǎn)生變化，在運動的波源前面，波被壓縮，波長變得較短，頻率變得較高 ，在運動的波源后面，產(chǎn)生相反的效應，波長變得較長，頻率變得較低 ，波源的速度越高，所產(chǎn)生的效應越大，根據(jù)光波紅/藍移的程度，可以計算出波源循著觀測方向運動的速度，恒星光譜線的位移顯示恒星循著觀測方向運動的速度，這種現(xiàn)象稱為多普勒效應。

    多普勒效應不僅僅適用于聲波,它也適用于所有類型的波,包括光波、電磁波?？茖W家Edwin Hubble使用多普勒效應得出宇宙正在膨脹的結(jié)論.他發(fā)現(xiàn)遠處銀河系的光線頻率在變高,即移向光譜的紅端.這就是紅色多普勒頻移,或稱紅移.若銀河系正移向他,光線就成為藍移.。

      

 

一、聲波的多普勒效應
　　在日常生活中，我們都會有這種經(jīng)驗：當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，它是用發(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家和數(shù)學家.他于1842年首先發(fā)現(xiàn)了這種效應.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. 當觀察者朝波源運動時，v0取正號；當觀察者背離波源（即順著波源）運動時，v0取負號. 當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，當觀察者與聲源相互靠近時，f1＞f；當觀察者與聲源相互遠離時,f1＜f　。
 

 

二、多普勒效應在超聲波流量測量領域的應用

    假設，超聲波波束與流體運動速度的夾角為 ，超聲波傳播速度為c，流體中懸浮粒子運動速度與流體流速相同，均為u．現(xiàn)以超聲波束在一顆固體粒子上的反射為例，導出聲波多普勒頻差與流速的關系式． 如圖所示，當超聲波束在管軸線上遇到一粒固體顆粒，該粒子以速度u沿營軸線運動．對超聲波發(fā)射器而言，該粒子以u cos a的速度離去，所以粒子收到的超聲波頻率f2應低于發(fā)射的超聲波頻率f1，降低的數(shù)值為

 

三、光波（包括電磁波）的多普勒效應
　　具有波動性的光也會出現(xiàn)這種效應，它又被稱為多普勒-斐索效應. 因為法國物理學家斐索（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.

多普勒效應的廣泛應用
1、雷達測速儀
　　檢查機動車速度的雷達測速儀也是利用這種多普勒效應。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。
2、多普勒效應在醫(yī)學上的應用
　　在臨床上，多普勒效應的應用也不斷增多，近年來迅速發(fā)展起超聲脈沖Doppler檢查儀，當聲源或反射界面移動時，比如當紅細胞流經(jīng)心臟大血管時，從其表面散射的聲音頻率發(fā)生改變，由這種頻率偏移可以知道血流的方向和速度，如紅細胞朝向探頭時，根據(jù)Doppler原理，反射的聲頻則提高，如紅細胞離開探頭時，反射的聲頻則降低。
3、宇宙學研究中的多普勒現(xiàn)象
　　20世紀20年代，美國天文學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，認識到了旋渦星云正快速遠離地球而去。1929年哈勃根據(jù)光普紅移總結(jié)出的哈勃定律：星系的遠離速度v與距地球的距離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. Gamow）和他的同事們提出大爆炸宇宙模型。 20世紀60年代以來，大爆炸宇宙模型逐漸被廣泛接受，以致被天文學家稱為宇宙的"標準模型" 。
　　多普勒-斐索效應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），得出了46 km/s的速度值。
4、移動通信中的多普勒效應
　　在移動通信中，當移動臺移向基站時，頻率變高，遠離基站時，頻率變低，所以我們在移動通信中要充分考慮"多普勒效應"。當然，由于日常生活中，我們移動速度的局限，不可能會帶來十分大的頻率偏移，但在衛(wèi)星移動通信中，當飛機移向衛(wèi)星時，頻率變高，遠離衛(wèi)星時，頻率變低，而且由于飛機的速度十分快，所以我們在衛(wèi)星移動通信中要充分考慮"多普勒效應"。為了避免這種影響造成我們通信中的問題，我們不得不在技術上加以各種考慮。也加大了移動通信的復雜性。