Doppler-ilmiö

Kokeneet kirjoittajat eivät ole vielä tarkistaneet sivun nykyistä versiota, ja se voi poiketa merkittävästi 29. joulukuuta 2020 tarkistetusta versiosta . tarkastukset vaativat 18 muokkausta .

Doppler-ilmiö on muutos tarkkailijan (vastaanottimen) havaitseman säteilyn taajuudessa ja vastaavasti aallonpituudessa , joka johtuu säteilylähteen liikkeestä suhteessa havaitsijaan (vastaanottimeen) [1] . Vaikutus on nimetty itävaltalaisen fyysikon Christian Dopplerin mukaan .

Syy Doppler-ilmiöön on se, että kun aaltolähde liikkuu kohti havaintoa, jokainen peräkkäinen aallonharja poistuu paikasta, joka on lähempänä havaitsijaa kuin edellinen aallonharja [2] [3] . Siten jokainen myöhempi aalto tarvitsee hieman vähemmän aikaa saavuttaakseen havaitsijan kuin edellinen aalto. Tämän seurauksena aika peräkkäisten aallonharjojen saapumisen välillä havaitsijalle lyhenee, mikä aiheuttaa taajuuden kasvun.

Löytöhistoria

Omien havaintojensa perusteella vedessä olevista aalloista Doppler ehdotti, että samanlaisia ilmiöitä esiintyy ilmassa muiden aaltojen kanssa. Aaltoteorian perusteella hän päätteli vuonna 1842, että valonlähteen lähestyminen havainnoijaan lisää havaittua taajuutta, etäisyys pienentää sitä (artikkeli " Kaksoistähtien ja taivaan muiden tähtien värillisestä valosta"). Doppler perusteli teoreettisesti havainnoijan havaitseman äänen ja valon värähtelytaajuuden riippuvuutta aaltolähteen ja havainnoinnin nopeudesta ja suunnasta suhteessa toisiinsa. Tämä ilmiö nimettiin myöhemmin hänen mukaansa.

Doppler käytti tätä periaatetta tähtitieteessä ja veti rinnakkaisuuden akustisten ja optisten ilmiöiden välille. Hän uskoi, että kaikki tähdet säteilevät valkoista valoa, mutta väri muuttuu niiden liikkuessa maata kohti tai poispäin maasta (tämä vaikutus on hyvin pieni Dopplerin arvioimille kaksoistähdille). Vaikka värimuutoksia ei tuolloin laitteilla voitu havaita, ääniteoriaa testattiin jo vuonna 1845 . Vain spektrianalyysin löytäminen mahdollisti kokeellisen vaikutuksen todentamisen optiikassa.

Dopplerin julkaisun kritiikki

Suurin syy kritiikkiin oli se, että artikkelissa ei ollut kokeellista näyttöä ja se oli puhtaasti teoreettinen. Vaikka hänen teoriansa yleinen selitys ja hänen esittämänsä ääntä tukevat kuvat olivat oikeita, selitykset ja yhdeksän tukevaa argumenttia tähtien värin muutoksista eivät olleet. Virhe johtui siitä väärinkäsityksestä, että kaikki tähdet säteilevät valkoista valoa, eikä Doppler ilmeisesti tiennyt infrapuna- ( W. Herschel , 1800) ja ultraviolettisäteilyn ( I. Ritter , 1801) löydöistä [4] .

Vaikka Doppler-ilmiö oli kokeellisesti vahvistettu äänelle vuoteen 1850 mennessä, sen teoreettinen perusta herätti kiivasta keskustelua, jonka aiheutti Josef Petzval [5] . Petsvalin suurimmat vastaväitteet perustuivat korkeamman matematiikan roolin liioittelua. Hän vastasi Dopplerin teoriaan artikkelillaan Aaltoliikkeen perusperiaatteet: Aallonpituuden säilymislaki, joka esiteltiin Tiedeakatemian kokouksessa 15. tammikuuta 1852. Siinä hän väitti, että teoria ei voi olla arvokas, jos se on julkaistu vain 8 sivulla ja käyttää vain yksinkertaisia yhtälöitä. Petsval sekoitti vastaväitteissään kaksi täysin erilaista tapausta havainnoijan ja lähteen liikkeestä sekä median liikkeestä. Jälkimmäisessä tapauksessa Doppler-teorian mukaan taajuus ei muutu [6] .

Kokeellinen vahvistus

Vuonna 1845 hollantilainen Utrechtin meteorologi Christopher Henrik Diederik Buijs-Ballot vahvisti Doppler-efektin äänelle Utrechtin ja Amsterdamin välisellä rautatiellä . Veturi, joka saavutti tuolloin uskomattoman nopeuden 40 mailia tunnissa (64 km/h), veti avoautoa trumpetistiryhmän kanssa. Ballot kuunteli sävyn muutosta auton liikkuessa sisään ja ulos. Samana vuonna Doppler suoritti kokeen käyttämällä kahta trumpetistiryhmää, joista toinen siirtyi pois asemalta, kun taas toinen pysyi paikallaan. Hän vahvisti, että kun orkesterit soittavat yhtä nuottia, ne ovat dissonanssissa . Vuonna 1846 hän julkaisi teoriastaan tarkistetun version, jossa hän käsitteli sekä lähteen että tarkkailijan liikettä. Myöhemmin, vuonna 1848, ranskalainen fyysikko Armand Fizeau yleisti Dopplerin työn laajentaen teoriansa valoon (laski linjojen siirtymisen taivaankappaleiden spektrissä) [7] . Vuonna 1860 Ernst Mach ennusti, että itse tähteen liittyvien tähtien spektrien absorptioviivojen pitäisi näyttää Doppler-ilmiö, ja näissä maanpäällisistä spektreissä on myös absorptioviivoja, jotka eivät osoita Doppler-ilmiötä. Ensimmäisen asiaankuuluvan havainnon teki vuonna 1868 William Huggins [8] .

G. Vogel sai suoran vahvistuksen valoaaltojen Doppler-kaavoille vuonna 1871 vertaamalla Fraunhofer-linjojen paikkoja spektrissä , jotka on saatu auringon päiväntasaajan vastakkaisista reunoista. Reunojen suhteellinen nopeus, joka laskettiin G. Vogelin mittaamien spektrivälien arvoista, osoittautui lähellä auringonpilkkujen siirtymästä laskettua nopeutta [9] .

Ohi kulkevan auton ääni

Toisto-ohje

Ilmiön olemus

Doppler-ilmiö on käytännössä helppo havaita, kun auto ohittaa tarkkailijan sireeni päällä. Oletetaan, että sireeni antaa tietyn äänen, eikä se muutu. Kun auto ei liiku suhteessa tarkkailijaan, hän kuulee tarkalleen sireenin lähettämän äänen. Mutta jos auto lähestyy tarkkailijaa, ääniaaltojen taajuus kasvaa ja tarkkailija kuulee korkeamman äänen kuin sireeni todellisuudessa lähettää. Sillä hetkellä, kun auto ohittaa tarkkailijan, hän kuulee juuri sen äänen, jonka sireeni todella lähettää. Ja kun auto menee pidemmälle ja on jo siirtymässä pois, eikä lähesty, tarkkailija kuulee matalamman äänen ääniaaltojen alhaisemman taajuuden vuoksi.

Missä tahansa väliaineessa etenevien aaltojen (esimerkiksi äänen ) osalta on otettava huomioon sekä lähteen että aaltovastaanottimen liike suhteessa tähän väliaineeseen. Sähkömagneettisilla aalloilla (esimerkiksi valolla ) , joiden etenemiseen ei tarvita väliainetta, tyhjiössä vain lähteen ja vastaanottimen suhteellisella liikkeellä on merkitystä [10] .

Tärkeää on myös tilanne, jossa varautunut hiukkanen liikkuu väliaineessa relativistisella nopeudella . Tässä tapauksessa Cherenkov-säteily rekisteröidään laboratoriojärjestelmään , mikä liittyy suoraan Doppler-ilmiöön.

Ilmiön matemaattinen kuvaus

Jos aaltolähde liikkuu suhteessa väliaineeseen, niin aallonharjojen välinen etäisyys (aallonpituus λ) riippuu liikkeen nopeudesta ja suunnasta. Jos lähde liikkuu kohti vastaanotinta, eli saa kiinni sen lähettämän aallon, aallonpituus pienenee, jos se siirtyy pois, aallonpituus kasvaa:

\lambda ={\frac {2\pi \left({cv}\right)}{\omega _{0}}},

missä on kulmataajuus , jolla lähde lähettää aaltoja, on aallon etenemisnopeus väliaineessa, on aaltolähteen nopeus suhteessa väliaineeseen (positiivinen, jos lähde lähestyy vastaanotinta ja negatiivinen, jos se siirtyy pois) . $\omega_0$ $c$ $v$

Kiinteän vastaanottimen tallentama taajuus

\omega =2\pi {\frac {c}{\lambda }}=\omega _{0}{\frac {1}{\left(1-{\frac {v}{c}}\right)} }.

(yksi)

Vastaavasti, jos vastaanotin liikkuu kohti aaltoja, se rekisteröi niiden harjanteet useammin ja päinvastoin. Kiinteälle lähteelle ja liikkuvalle vastaanottimelle

\omega =\omega _{0}\left(1+{\frac {u}{c}}\right),

(2)

missä on vastaanottimen nopeus suhteessa mediaan (positiivinen, jos se liikkuu kohti lähdettä). $u$

Korvaamalla kaavassa (2) frekvenssiarvon kaavasta (1) saadaan kaava yleiselle tapaukselle: $\omega_0$ $\omega$

\omega =\omega _{0}{\frac {\left(1+{\frac {u}{c}}\right)}{\left(1-{\frac {v}{c}}\right )}}.

(3)

Relativistinen Doppler-efekti

Jos sähkömagneettiset aallot (tai muut massattomat hiukkaset) etenevät tyhjiössä, taajuuden kaava johdetaan erityissuhteellisuusteorian yhtälöistä . Koska sähkömagneettisten aaltojen leviämiseen ei tarvita aineellista väliainetta, voidaan ottaa huomioon vain lähteen ja havainnoijan suhteellinen nopeus [11] [12]

\omega =\omega _{0}\cdot {\frac {\sqrt {1-{\frac {v^{2}}{c^{2))))}{1-{\frac { v}{c}}\cdot \cos\theta }},

missä on valon nopeus , on lähteen nopeus suhteessa vastaanottimeen (tarkkailija), on kulma lähteen suunnan ja vastaanottimen vertailukehyksen nopeusvektorin välillä. Jos lähde liikkuu poispäin havainnointiajasta, niin , jos se lähestyy, niin . Jos jätämme huomiotta toisen asteen pienet v/c , relativistinen kaava pelkistyy klassiseen Doppler-ilmiöön. $c$ $v$ $\theta$ $\theta=\pi$ $\theta=0$

Relativistinen Doppler-ilmiö johtuu kahdesta syystä:

klassinen taajuuden muutoksen analogi lähteen ja vastaanottimen suhteellisella liikkeellä;
relativistinen aikadilataatio .

Jälkimmäinen tekijä johtaa poikittaiseen Doppler -ilmiöön, kun aaltovektorin ja lähteen nopeuden välinen kulma on . Tässä tapauksessa taajuuden muutos on puhtaasti relativistinen vaikutus, jolla ei ole klassista analogia. $\theta ={\frac {\pi }{2}}$

Käänteinen Doppler-efekti

Vuonna 1967 Victor Veselago ennusti teoreettisesti käänteisen Doppler-ilmiön mahdollisuuden väliaineessa, jolla on negatiivinen taitekerroin [13] [14] [15] . Tällaisissa väliaineissa tapahtuu Doppler-siirtymä, jolla on tavanomaista Doppler-taajuussiirtymää vastakkainen etumerkki. Ensimmäisen kokeen, joka mahdollisti tämän vaikutuksen havaitsemisen, suorittivat Nigel Seddon ja Trevor Bearpark Bristolissa ( Iso- Britannia ) vuonna 2003, perustuen epälineaariseen siirtolinjaan [16] . Viime aikoina käänteinen Doppler-ilmiö on havaittu laajemmassa metamateriaalien luokassa .

Doppler-ilmiön havainnointi

Koska ilmiö on tyypillinen kaikille aalloille ja hiukkasvirroille, sitä on erittäin helppo tarkkailla äänen suhteen. Äänen värähtelyn taajuus havaitaan korvalla äänenkorkeudeksi . On tarpeen odottaa tilannetta, kun nopeasti liikkuva auto tai juna ohittaa sinut antamalla äänen, esimerkiksi sireenin tai vain äänimerkin. Kuulet, että kun auto lähestyy sinua, kaltevuus on korkeampi, sitten kun auto on lähelläsi, se laskee jyrkästi ja sitten poistuessaan auto kolisee matalammalla äänellä .

Sovellus

Doppler-ilmiö on olennainen osa nykyaikaisia teorioita maailmankaikkeuden alkamisesta ( alkuräjähdys ja punasiirtymä ). Periaate on saanut lukuisia sovelluksia tähtitieteessä tähtien liikkumisnopeuksien mittaamiseen tähtäyslinjaa pitkin (lähestyessään tai poistumassa havainnointiasemasta) ja niiden pyörimistä akselin ympäri, planeettojen pyörimisparametreja , Saturnuksen renkaita ( mikä mahdollisti niiden rakenteen jalostamisen), turbulenttiset virtaukset auringon fotosfäärissä, satelliittien lentoradat, lämpöydinreaktioiden hallinta ja sitten useilla fysiikan ja tekniikan aloilla ( sääennusteissa , lennonvarmistuksessa ja tutkaissa , joita käytetään liikennepoliisi ). Doppler-ilmiötä on käytetty laajasti nykyaikaisessa lääketieteessä: monet ultraäänidiagnostiikkalaitteet perustuvat siihen. Pääsovellukset:

Doppler-tutka on tutka , joka mittaa kohteesta heijastuneen signaalin taajuuden muutosta. Taajuuden muutoksesta lasketaan kohteen nopeuden säteittäinen komponentti (nopeuden projektio kohteen ja tutkan läpi kulkevalle suoralle viivalle). Doppler-tutkia voidaan käyttää useilla alueilla: lentokoneiden, laivojen, autojen, hydrometeorien (esimerkiksi pilvien), meri- ja jokivirtojen sekä muiden kohteiden nopeuden määrittämiseen.

Tähtitiede:
- Spektrin linjoja siirtämällä määrätään tähtien , galaksien ja muiden taivaankappaleiden liikkeen säteittäinen nopeus . Tähtitiedessä on tapana kutsua taivaankappaleiden radiaalinopeutta säteittäisnopeudeksi. Doppler-ilmiön avulla niiden säteittäinen nopeus määritetään taivaankappaleiden spektristä . Valon värähtelyjen aallonpituuksien muutos johtaa siihen, että kaikki lähteen spektrin spektriviivat siirtyvät pitkiä aaltoja kohti, jos sen säteittäinen nopeus on suunnattu poispäin havainnoijasta ( punasiirtymä ), ja lyhyitä kohti, jos säteittäisen nopeuden suunta on havaitsijaa kohti ( violetti siirto ). Jos lähteen nopeus on pieni verrattuna valon nopeuteen (~300 000 km/s), niin ei-relativistisessa approksimaatiossa radiaalinen nopeus on yhtä suuri kuin valon nopeus kerrottuna minkä tahansa spektriviivan aallonpituuden muutoksella ja jaettuna saman linjan aallonpituus kiinteässä lähteessä.
- Spektriviivojen leveyttä suurentamalla voidaan mitata tähtien fotosfäärin lämpötilaa. Viivojen leveneminen lämpötilan noustessa johtuu kaasussa olevien säteilevien tai absorboivien atomien kaoottisen lämpöliikkeen lisääntymisestä.
Kosketukseton nesteen tai kaasun virtausnopeuden mittaus. Doppler-ilmiö mittaa nesteiden ja kaasujen virtausnopeutta. Tämän menetelmän etuna on, että antureita ei tarvitse sijoittaa suoraan virtaukseen. Nopeus määräytyy ultraääni- tai optisten säteilyaaltojen ( optiset virtausmittarit ) sironnan avulla väliaineen epähomogeenisuuksiin ( suspensiohiukkaset , nestepisarat, jotka eivät sekoitu päävirtauksen kanssa, nesteessä olevat kaasukuplat).
Turvahälyttimet . Liikkuvien kohteiden havaitsemiseen.
Koordinaattien määritelmä . Cospas -Sarsat- satelliittijärjestelmässä satelliitti määrittää maassa olevan hätälähettimen koordinaatit sieltä vastaanotetusta radiosignaalista Doppler-ilmiön avulla.
Globaalit paikannusjärjestelmät GPS ja GLONASS.

Taide ja kulttuuri

Tieteiskirjallisuudessa se mainitaan usein tehtäessä avaruusalusten (tähtilaivojen) hyperavaruuslentoja.
Amerikkalaisen komediatelevisiosarjan The Big Bang Theory ensimmäisen kauden kuudennessa jaksossa tohtori Sheldon Cooper menee Halloweeniin , jota varten hän puki Doppler-ilmiötä kuvaavan puvun. Kuitenkin kaikki läsnä olevat (paitsi ystävät) ajattelevat, että hän on seepra .
Yksi tietokonepelin Half-Life lisäyksistä on nimeltään Blue Shift ( blue shift ), joka on moniselitteinen (sillä on myös tieteellinen merkitys, joka on kuvattu tässä artikkelissa, ja se voidaan kääntää myös "siniseksi siirroksi ", joka on viittaus vartijoiden siniseen univormuun, joista yksi on päähenkilö ).
Algoritmista _on albumi The Doppler Effect .
Korealaisen Bangtan Boysin kappaleen "DNA" videon alussa esiin tulee Doppler-efektikaava, kun taas kohtaus itse on yksinkertaistettu esimerkki siitä. Tämä on pelkkää pilaa faneille, jotka jatkuvasti teoretisoivat yhtyeen musiikkivideoista.

Katso myös

Muistiinpanot

↑ Giordano, Nicholas. College Physics : päättely ja suhteet . - Cengage Learning, 2009. - s. 421-424. — ISBN 978-0534424718 .
↑ Possel, Markus Aallot, liike ja taajuus: Doppler-ilmiö (linkki ei saatavilla) . Einstein Online, Voi. 5 . Max Planck Institute for Gravitational Physics, Potsdam, Saksa (2017). Haettu 4. syyskuuta 2017. Arkistoitu alkuperäisestä 14. syyskuuta 2017. (määrätön)
↑ Henderson, Tom Doppler-efekti - Oppitunti 3, Aallot . Fysiikan opetusohjelma . Fysiikan luokkahuone (2017). Haettu: 4.9.2017. (määrätön)
↑ A. Eden, 1992 , s. 31.
↑ Schuster P. Moving the Stars. Christian Doppler, hänen elämänsä, hänen työnsä ja periaate ja maailma sen jälkeen. - Living Edition Publishers, 2005. - 232 s.
↑ A. Eden, 1992 , s. 57.
↑ Roguin A. Christian Johann Doppler: mies vaikutuksen takana // The British Journal of Radiology : lehti. - 2002. - Voi. 75 , no. 895 . - s. 615-619 . - doi : 10.1259/bjr.75.895.750615 .
↑ Laue M. Fysiikan historia. - Moskova: GITTL, 1956. - 229 s.
↑ Kologrivov V. N. Doppler-ilmiö klassisessa fysiikassa. - M. : MIPT , 2012. - S. 25-26. – 32 s.
↑ Kun valo etenee väliaineessa, sen nopeus riippuu tämän väliaineen nopeudesta. Katso Fizeaun kokeilu .
↑ Landau L. D. , Lifshitz E. M. Kenttäteoria. - 7. painos, tarkistettu. - M .: Nauka , 1988. - S. 158-159. - (" Teoreettinen fysiikka ", osa II). — ISBN 5-02-014420-7 .
↑ Doppler-ilmiö suhteellisuusteoriassa
↑ V. G. Veselago. Aineiden sähködynamiikka, joilla on samanaikaisesti negatiiviset arvot ε ja μ // UFN . – 1967 . - T. 92 , nro 7 . - S. 517 .
↑ Slyusar, Vadim. Antennitekniikan metamateriaalit: historia ja perusperiaatteet // Elektroniikka: tiede, tekniikka, liiketoiminta. - 2009. - Nro 7 . - S. 75 .
↑ Slyusar, Vadim. Metamateriaalit antennitekniikassa: perusperiaatteet ja tulokset // First Mile. Last Mile (Lisäosa lehteen "Electronics: Science, Technology, Business"). - 2010. - Nro 3-4 . - S. 47 .
↑ Kozyrev, Aleksanteri B.; van der Weide, Daniel W. (2005). "Epälineaarisissa siirtolinjoissa havaitun käänteisen Doppler-ilmiön selitys". Physical Review Letters . 94 (20): 203902. Bibcode : 2005PhRvL..94t3902K . DOI : 10.1103/PhysRevLett.94.203902 . PMID 16090248 .

Linkit

Eden A. Christian Dopplerin etsintä. - Springer-Verlag Wien, 1992. - 136 s. — ISBN 3211823670 .

Sanakirjat ja tietosanakirjat

Bibliografisissa luetteloissa
BNE : XX543365 BNF : 11979430h GND : 4012769-2 J9U : 987007560322305171 LCCN : sh85039083 NDL : 00561685 NKC : ph195844