第六章 F 多普勒效应

随着我国经济的高速发展，交通也越来越繁忙，为了保障车辆行驶通畅和安全，交通法规对不同路段都限定了最高车速。但有部分司机因各种原因驾车超速行驶，不但影响了正常交通运行，而且还导致事故不断地发生。特别是在夜晚和郊区公路上，超速行驶的违章现象更为突出，因此，交通民警采取了现代化的高科技手段，用“多普勒测速仪”对行驶中的车辆进行远距离测速，并对超速行车的司机进行严格处罚，有效遏制了超速违章事故的发生。图6-34表示交通民警已经测出违章车辆的车速，正准备进行处理。

“多普勒测速仪”不仅可以测出车速，还可以测量其他物体的运动速度，例如可以测出人或人的某部分肢体的运动速度，以帮助训练运动员和舞蹈演员。图6-35就是一个测运动员跑步速度的“多普勒测速仪”。还有一种手持“多普勒测速仪”，使用更加方便，如图6-36所示。

大家谈

“多普勒测速仪”既不用皮尺量位移，又不用秒表测时间，怎么能测出运动物体的速度呢？你能提出猜想吗？

一、多普勒效应的发现

多普勒效应由奥地利科学家多普勒在1842年发表的一篇论文中首次被提出。该论文推导出当波源和观察者有相对运动时，观察者接收到的波的频率会改变。

从1845年开始，便有人利用声波来进行实验，他们让一些演奏员在火车上奏出乐音，请另一些演奏员在月台上写下火车逐渐接近和离开时听到的音高，实验结果支持多普勒效应的存在。

二、多普勒效应的原理

多普勒效应就是当波源与观察者发生相对运动时，观察者接受到的波的频率高于或低于波源频率的现象。为什么会发生这种现象呢？下面分三种情况进行讨论。

1．波源和观察者相对于介质静止

由已经学过的知识，波源完成一次全振动，就向外传播一个波长的波，当波源和观察者都相对于介质静止，也就是波源和观察者之间没有相对运动时。观察者在单位时间内接收到的波的个数，等于波源在单位时间内向外传出的波的个数，即观察者接收的频率f等于波源原来振动的频率fʹ，图6 - 37中圆心表示波源，头像表示观察者，圆周表示波面。

大家谈

当我们离声源越来越远时，我们听到的声音越来越轻，直到听不见，这是不是多普勒效应？为什么？

2．观察者相对于介质静止，波源向观察者运动

由图6-38可见，由于波源向观察者靠近，波源与观察者之间的波“变密”了，使得观察者所在处波的波长比原来缩短，观察者在1s内接收到的波的个数增加了，或者说观察者接收到的频率增加了。如果波源背着观察者运动，观察者在1s内接收到的波的个数将减少，观察者接收到的频率低于波源的频率。

自主活动

如果波源发出的波的波长是λ，波速是v，观察者不动，波源向观察者运动的速度是u，那么观察者接收到的频率是多少？

3．波源相对于介质静止，观察者向波源运动

由图6-39可见，波源不动，波长是不会变化，但由于观察者向波源靠近，观察者在1s内接收到的波的个数比静止时增加，或者说观察者接收到的频率增加了。如果观察者远离波源运动，观察者在1s内接收到的波的个数将减少，观察者接收到的频率低于波源的频率。

自主活动

如果波源发出的波的频率是f，波速是v，波源不动，观察者向波源运动的速度是u，那么观察者接收到的频率是多少？

由以上分析可知，当波源和观察者有相对运动时，观察者接收到的频率（观察频率）不同于波源频率。如果波源和观察者相互接近，观察者接收到的频率高于波源频率；如果波源和观察者相互远离，观察者接收到的频率低于波源频率，这就是多普勒效应。多普勒的研究范围还包括光学、电磁学和天文学，他设计和改良了很多实验仪器，例如光学仪器。

三、多普勒效应的应用

由于机械波和电磁波都有多普勒效应，因此多普勒效应的应用十分广泛，大体有以下几方面。

1．测量物体的速度

除了前面介绍的测量车辆和人体的速度外，利用多普勒效应还可以测定进出港口的船舶的速度。一般的船用测速仪只能测出船对水的航速，而不能测得船对岸的速度。由于水随风浪而动，有时即使航速很小，但风浪很大时，船相对于岸的速度仍然很大，这给船舶靠岸造成了很大的困难。特别是大型海轮由于质量大，惯性也大，靠码头或抛锚时的速度必须很低，通常要求小于17.7×10^-3m/s，因此精确地测量船舶相对岸的速度十分重要。利用多普勒效应制成的多普勒导航声纳可以精确地测得船舶的对地速度，而且精确度达到5×10³m/s，完全符合船舶靠岸要求。

2．雷达探测和跟踪

电磁波的多普勒效应为跟踪目的物（如导弹、云层等）提供了一种简单的方法。目的物从远处飞向地面监测站上空，或从地面监测站上空飞向远处时，它在与监测站连线上的速度分量将发生变化，如果监测站不断发射恒定频率的电磁波，则由于多普勒效应，地面监测站接收到的反射波频率也会发生相应的变化，根据这种变化，就可以确定目的物的距离、方位、速度等参量，这在军事、航天、气|象预报等领域有广泛的应用。图6-40为探测风云变幻的多普勒气象雷达。

3．观察天体运动

20世纪20年代，美国天文学家斯莱弗在研究遥远的旋涡星云发出的光谱时，首先发现了光谱向波长长的方向移动，这就是星云运动引起的多普勒效应，因为在可见光中红光的波长最长，人们把这种现象叫做“红移”，“红移”现象的发现使人们认识到旋涡星云正快速远离地球而去。1929年美国天文学家哈勃根据光谱“红移”总结出著名的哈勃定律，根据哈勃定律和后来对更多天体红移的测定，人们相信宇宙在长时间内一直在膨胀，而物质平均密度一直在变小，由此。1948年俄裔美籍物理学家伽莫夫（G．Gamow）和他的同事们提出宇宙大爆炸模型，20世纪60年代以来，宇宙大爆炸模型逐渐被广泛接受，以致被天文学家称为宇宙的“标准模型”，这使人们关于宇宙起源的研究取得了突破性的进展。

4．医学临床诊断

根据多普勒效应制成的超声诊断仪称为多普勒超声诊断仪，最先进的超声诊断仪是彩色多普勒超声诊断仪，简称“彩超”，它在医学临床诊断学中用于心脏、血管、血流和胎儿心率等诊断，“彩超”在工作时超声波探头发射的超声波到达血管内，超声波遇到流动着的红细胞后，被反射回接收器，根据多普勒效应的原理可知，反射回的超声波频率不同于发射的超声波频率，根据这种不同，可以计算出血流的速度，通过血流速度和其他指标就能诊断组织的病变。图6-41如果是彩色的，可以看到彩超图像中接近超声探头的血液显示为红色；离开探头的血流显示为蓝色。 

自主话动

在小组讨论的基础上，提出一个演示多普勒效应的实验方案。

发布时间：2016/2/17 下午1:51:51  阅读次数：1694