Съобщение от администратора:

Момчета! Кой отдавна иска да научи английски?
Отидете на и вземете два безплатни урокав школата по английски език SkyEng!
Самият аз уча там - много е готино. Има прогрес.

В приложението можете да научите думи, да тренирате слушане и произношение.

Пробвам. Два урока безплатно, използвайки моя линк!
Кликнете

Ако източникът на вълна се движи спрямо средата, тогава разстоянието между върховете на вълната (дължина на вълната) зависи от скоростта и посоката на движение. Ако източникът се придвижи към приемника, тоест настигне вълната, която излъчва, тогава дължината на вълната намалява. Ако се премахне, дължината на вълната се увеличава.

Честотата на вълната като цяло зависи само от скоростта, с която се движи приемникът

Веднага щом вълната тръгне от източника, скоростта на нейното разпространение се определя само от свойствата на средата, в която се разпространява - източникът на вълната вече не играе никаква роля. На повърхността на водата, например, вълните, веднъж възбудени, след това се разпространяват само поради взаимодействието на силите на налягане, повърхностното напрежение и гравитацията. Акустичните вълни се разпространяват във въздуха (и други звукопроводими среди) поради насоченото предаване на разликите в налягането. И нито един от механизмите за разпространение на вълната не зависи от източника на вълната. Следователно Доплер ефект.

За да стане по-ясно, нека разгледаме пример за кола със сирена.

Нека първо приемем, че колата е неподвижна. Звукът от сирена достига до нас, защото еластичната мембрана вътре в нея периодично въздейства върху въздуха, създавайки компресии в него - области на повишено налягане - редуващи се с вакуум. Пиковете на компресия - "гребените" на акустичната вълна - се разпространяват през средата (въздух), докато достигнат ушите ни и засегнат тъпанчетата. И така, докато колата е неподвижна, ние ще продължим да чуваме непроменения тон на нейния сигнал.

Но веднага щом колата започне да се движи във вашата посока, ще бъде добавена нова Ефект. През времето от излъчването на един пик на вълната до следващия, колата ще измине известно разстояние към вас. Поради това източникът на всеки следващ пик на вълната ще бъде по-близо. В резултат на това вълните ще достигат до ушите ви по-често, отколкото когато колата е била неподвижна, а височината на звука, който възприемате, ще се увеличи. Обратно, ако кола с клаксон се движи в обратната посока, върховете на акустичните вълни ще достигат до ушите ви по-рядко и възприеманата честота на звука ще намалее.

Важен е в астрономията, сонара и радара. В астрономията Доплеровото изместване на определена честота на излъчваната светлина може да се използва, за да се прецени скоростта на движение на звезда по нейната линия на наблюдение. Най-изненадващият резултат идва от наблюдението на Доплеровото изместване на честотите на светлината от далечни галактики: така нареченото червено изместване показва, че всички галактики се отдалечават от нас със скорости около половината от скоростта на светлината, увеличавайки се с разстоянието. Въпросът дали Вселената се разширява по подобен начин или червеното изместване се дължи на нещо различно от „разпръскването“ на галактиките остава открит.

Кристиан Доплер през 1842 г., работещ в Чешкия технически университет, теоретично, както се казва, „на върха на писалката си“, извежда зависимостта на честотата на трептенията, възприемани от наблюдателя, от скоростта и посоката на движение на източника на вълна и наблюдателя един спрямо друг.
Като пример за обяснение на този феномен сега е обичайно да се описва как тонът на свирката на влака се променя, когато се приближава или отдалечава от наблюдател, стоящ на платформата.
Кой от нас не е чувал този висок, повишаващ се тон, внезапно преминаващ рязко в нисък?

Рогът създава вибрации (звукови вълни), но придвижването към него сякаш ги компресира, а отдалечаването ги разтяга.
Компресира се, защото разстоянието намалява и всяка следваща вълна изисква по-малко време, за да стигне до наблюдателя, но в обратната посока, напротив, отнема повече време - вълните се разтягат.
Честотата (брой вълни за единица време - F), скоростта на разпространение (V) и дължината на вълната (от гребена до гребена - L) са свързани с проста формула:

F=V/L

Кристиан Доплер открива този ефект, изучавайки природата на светлината, т.е. Не само звукови вълни или водни вълни от плуваща патица се държат по този начин.
По същия начин честотата на електромагнитните трептения се променя в зависимост от посоката на движение на източника или приемника на тези трептения. Това означава, че ако облъчите всеки движещ се обект с електромагнитна вълна с дадена честота и след това сравните тази честота с получената отразена, тогава от разликата можете да определите скоростта на този обект и посоката на неговото движение.

Така е изобретен "доплеровият скоростомер" или радарът.

Честотата на отразената вълна на приближаващ автомобил е по-висока от честотата, излъчвана от радара, а честотата на отразената вълна на движещ се автомобил е по-ниска. Това е ефектът на Доплер.
Скоростта на превозното средство се изчислява от честотната разлика между излъчваните и отразените вълни.

Любопитно е, че има объркване при изписването на името (и ефекта) "Доплер". Така в класическата справочна литература, например в

Забелязвали ли сте някога, че звукът на автомобилна сирена има различна височина, когато се приближава или отдалечава от вас?

Разликата в честотата на свирката или сирената на отдалечаващ се и приближаващ влак или кола е може би най-очевидният и широко разпространен пример за ефекта на Доплер. Теоретично открит от австрийския физик Кристиан Доплер, този ефект по-късно ще играе ключова роля в науката и технологиите.

За един наблюдател дължината на вълната на излъчването ще има различна стойност при различни скорости на източника спрямо наблюдателя. С приближаването на източника дължината на вълната ще намалява, а с отдалечаването ще се увеличава. Следователно честотата също се променя с дължината на вълната. Следователно честотата на свирката на приближаващия влак е значително по-висока от честотата на свирката, докато се отдалечава. Всъщност това е същността на ефекта на Доплер.

Ефектът на Доплер е в основата на работата на много измервателни и изследователски инструменти. Днес се използва широко в медицината, авиацията, космонавтиката и дори в бита. Ефектът на Доплер захранва сателитната навигация и пътните радари, ултразвуковите машини и алармите за сигурност. Ефектът на Доплер се използва широко в научните изследвания. Може би той е най-известен в астрономията.

Обяснение на ефекта

За да разберете природата на ефекта на Доплер, просто погледнете повърхността на водата. Кръговете върху водата перфектно демонстрират и трите компонента на всяка вълна. Нека си представим, че някакъв неподвижен поплавък създава кръгове. В този случай периодът ще съответства на времето, изминало между излъчването на един и следващия кръг. Честотата е равна на броя кръгове, излъчени от поплавъка за определен период от време. Дължината на вълната ще бъде равна на разликата в радиусите на два последователно излъчвани кръга (разстоянието между два съседни гребена).

Нека си представим, че лодка се приближава към този неподвижен поплавък. Тъй като се движи към хребетите, скоростта на лодката ще бъде добавена към скоростта на разпространение на кръговете. Следователно, спрямо лодката, скоростта на наближаващите хребети ще се увеличи. В същото време дължината на вълната ще намалее. Следователно времето, което ще измине между ударите на два съседни кръга отстрани на лодката, ще намалее. С други думи, периодът ще намалее и съответно честотата ще се увеличи. По същия начин, за отдалечаваща се лодка, скоростта на гребените, които сега ще я настигнат, ще намалее, а дължината на вълната ще се увеличи. Което означава увеличаване на периода и намаляване на честотата.

Сега си представете, че поплавъкът е разположен между две неподвижни лодки. Освен това рибарят на един от тях дърпа плувката към себе си. Придобивайки скорост спрямо повърхността, поплавъкът продължава да излъчва абсолютно същите кръгове. Но центърът на всеки следващ кръг ще бъде изместен спрямо центъра на предишния към лодката, към която се приближава плувката. Следователно, от страната на тази лодка, разстоянието между хребетите ще бъде намалено. Оказва се, че кръгове с намалена дължина на вълната и следователно с намален период и увеличена честота ще дойдат до лодката с рибаря, който дърпа плувката. По същия начин вълни с увеличена дължина, период и намалена честота ще достигнат друг рибар.

Многоцветни звезди

Такива модели на промени в характеристиките на вълните върху водната повърхност бяха забелязани някога от Кристиан Доплер. Той описва математически всеки такъв случай и прилага получените данни към звука и светлината, които също имат вълнова природа. Доплер предполага, че цветът на звездите зависи директно от скоростта, с която се приближават или отдалечават от нас. Той очерта тази хипотеза в статия, която представи през 1842 г.

Имайте предвид, че Доплер е сгрешил относно цвета на звездите. Той смята, че всички звезди излъчват бял цвят, който впоследствие се изкривява поради скоростта им спрямо наблюдателя. Всъщност ефектът на Доплер не засяга цвета на звездите, а модела на техния спектър. За звездите, които се отдалечават от нас, всички тъмни линии на спектъра ще увеличат дължината на вълната - ще се изместят към червената страна. Този ефект е установен в науката под името „червено изместване“. При приближаващите звезди, напротив, линиите се стремят към частта от спектъра с по-висока честота - виолетовия цвят.

Тази характеристика на спектралните линии, основана на формулите на Доплер, е теоретично предсказана през 1848 г. от френския физик Арман Физо. Това е експериментално потвърдено през 1868 г. от Уилям Хъгинс, който има голям принос в спектралното изследване на космоса. Още през 20-ти век ефектът на Доплер за линиите в спектъра ще бъде наречен „червено изместване“, към което ще се върнем.

Концерт на релси

През 1845 г. холандският метеоролог Бойс-Балот, а по-късно и самият Доплер, провеждат серия от експерименти, за да тестват Доплеровия „звуков“ ефект. И в двата случая са използвали споменатия по-рано ефект на клаксона на приближаващ и заминаващ влак. Ролята на свирката се играе от групи тромпетисти, които свирят определена нота, докато са в открит вагон на движещ се влак.

Бойс-Бало изпраща тромпетисти покрай хора с добър слух, които записват промяната в нотата при различни скорости на композицията. След това повторил този експеримент, като поставил тромпетистите на платформа, а слушателите в карета. Доплер записва дисонанса на нотите на две групи тромпетисти, които се приближават и отдалечават от него едновременно, свирейки една нота.

И в двата случая ефектът на Доплер за звуковите вълни беше успешно потвърден. Освен това всеки от нас може да проведе този експеримент в ежедневието и да го потвърди сам. Следователно, въпреки факта, че ефектът на Доплер беше критикуван от съвременниците, по-нататъшните изследвания го направиха неоспорим.

Както беше отбелязано по-рано, ефектът на Доплер се използва за определяне на скоростта на космическите обекти спрямо наблюдателя.

Тъмните линии в спектъра на космическите обекти първоначално винаги са разположени на строго фиксирано място. Това местоположение съответства на дължината на вълната на поглъщане на определен елемент. За приближаващ или отдалечаващ се обект всички ленти променят позициите си съответно във виолетовата или червената област на спектъра. Сравнявайки спектралните линии на земните химични елементи с подобни линии в спектрите на звездите, можем да оценим скоростта, с която даден обект се приближава или отдалечава от нас.

Червеното изместване в спектрите на галактиките е открито от американския астроном Весто Слайфър през 1914 г. Неговият сънародник Едуин Хъбъл сравнява разстоянията до откритите от него галактики с големината на тяхното червено отместване. Така през 1929 г. той стига до извода, че колкото по-далеч е галактиката, толкова по-бързо се отдалечава от нас. Както се оказва по-късно, откритият от него закон е доста неточен и не описва съвсем правилно реалната картина. Въпреки това Хъбъл постави правилната тенденция за по-нататъшни изследвания от други учени, които впоследствие ще въведат концепцията за космологично червено отместване.

За разлика от Доплеровото червено отместване, което възниква от правилното движение на галактиките спрямо нас, космологичното червено отместване възниква от разширяването на пространството. Както знаете, Вселената се разширява равномерно по целия си обем. Следователно, колкото по-далеч са две галактики една от друга, толкова по-бързо се отдалечават една от друга. Така че всеки мегапарсек между галактиките ще ги отдалечава една от друга с около 70 километра всяка секунда. Това количество се нарича константа на Хъбъл. Интересното е, че самият Хъбъл първоначално оцени своята константа на цели 500 km/s на мегапарсек.

Това се обяснява с факта, че той не е взел предвид факта, че червеното отместване на всяка галактика е сумата от две различни червени отмествания. Освен че са движени от разширяването на Вселената, галактиките също претърпяват свои собствени движения. Ако релативистичното червено отместване има еднакво разпределение за всички разстояния, тогава Доплеровото червено отместване приема най-непредсказуемите несъответствия. В края на краищата, правилното движение на галактиките в техните клъстери зависи само от взаимните гравитационни влияния.

Близки и далечни галактики

Между близките галактики константата на Хъбъл практически не е приложима за оценка на разстоянията между тях. Например, галактиката Андромеда има пълно виолетово изместване спрямо нас, тъй като се приближава към Млечния път със скорост от около 150 km/s. Ако приложим към него закона на Хъбъл, то би трябвало да се отдалечава от нашата галактика със скорост 50 km/s, което изобщо не отговаря на реалността.

За далечни галактики Доплеровото червено отместване е почти незабележимо. Скоростта им на отдалечаване от нас е пряко зависима от разстоянието и с малка грешка съответства на константата на Хъбъл. Така че най-отдалечените квазари се отдалечават от нас със скорост, по-голяма от скоростта на светлината. Колкото и да е странно, това не противоречи на теорията на относителността, защото това е скоростта на разширяване на пространството, а не самите обекти. Затова е важно да можем да различим Доплеровото червено отместване от космологичното.

Заслужава да се отбележи също, че в случай на електромагнитни вълни също възникват релативистични ефекти. Съпътстващото изкривяване на времето и промените в линейните размери, когато тялото се движи спрямо наблюдателя, също оказват влияние върху характера на вълната. Както във всеки случай с релативистичните ефекти

Разбира се, без ефекта на Доплер, който позволи откриването на червеното отместване, нямаше да знаем за мащабната структура на Вселената. Астрономите обаче дължат повече от това на това свойство на вълните.

Ефектът на Доплер може да открие леки отклонения в позициите на звездите, които могат да бъдат създадени от обикалящи около тях планети. Благодарение на това са открити стотици екзопланети. Използва се и за потвърждаване на наличието на екзопланети, открити по-рано с други методи.

Ефектът на Доплер играе решаваща роля в изследването на близки звездни системи. Когато две звезди са толкова близо, че не могат да се видят отделно, ефектът на Доплер идва на помощ на астрономите. Тя ви позволява да проследите невидимото взаимно движение на звездите по техния спектър. Такива звездни системи дори се наричат ​​„оптични двойни системи“.

Използвайки ефекта на Доплер, можете да оцените не само скоростта на космическия обект, но и скоростта на неговото въртене, разширяване, скоростта на неговите атмосферни потоци и много други. Скоростта на пръстените на Сатурн, разширяването на мъглявините, пулсациите на звездите се измерват благодарение на този ефект. Използва се дори за определяне на температурата на звездите, тъй като температурата също е индикатор за движение. Можем да кажем, че съвременните астрономи измерват почти всичко, свързано със скоростите на космическите обекти, използвайки ефекта на Доплер.

Звукът може да се възприема по различен начин от човек, ако източникът на звук и слушателят се движат един спрямо друг. Може да изглежда по-висок или по-нисък, отколкото е в действителност.

Ако източникът на звукови вълни и приемникът са в движение, тогава честотата на звука, който приемникът възприема, е различна от честотата на източника на звук. С приближаването им честотата нараства, а с отдалечаването намалява. Това явление се нарича Доплер ефект , кръстен на учения, който го е открил.

Доплеров ефект в акустиката

Много от нас са наблюдавали как се променя тонът на свирката на влак, движещ се с висока скорост. Зависи от честотата на звуковата вълна, която ухото ни улавя. С приближаването на влак тази честота се увеличава и сигналът става по-висок. Когато се отдалечим от наблюдателя, честотата намалява и чуваме по-нисък звук.

Същият ефект се наблюдава, когато звуковият приемник се движи и източникът е неподвижен, или когато и двата са в движение.

Защо се променя честотата на звуковата вълна е обяснено от австрийския физик Кристиан Доплер. През 1842 г. той за първи път описва ефекта от промяната на честотата, т.нар Доплер ефект .

Когато звуков приемник се доближи до неподвижен източник на звукови вълни, за единица време той среща повече вълни по пътя си, отколкото ако беше неподвижен. Тоест възприема по-висока честота и чува по-висока височина. Когато се отдалечава, броят на пресичаните вълни за единица време намалява. И звукът изглежда по-слаб.

Когато източник на звук се придвижи към приемника, той сякаш настига вълната, създадена от него. Дължината му намалява, следователно честотата му се увеличава. Ако се отдалечи, тогава дължината на вълната става по-дълга и честотата по-ниска.

Как да изчислим честотата на получена вълна

Звуковата вълна може да се разпространява само в среда. Дължината му λ зависи от скоростта и посоката на движението му.

Където ω 0 - кръгова честота, с която източникът излъчва вълни;

с - скорост на разпространение на вълната в средата;

v - скоростта, с която източникът на вълна се движи спрямо средата. Стойността му е положителна, ако източникът се движи към приемника, и отрицателна, ако се отдалечава.

Фиксираният приемник възприема честотата

Ако източникът на звук е неподвижен и приемникът се движи, тогава честотата, която той ще възприеме, е равна на

Където u - скорост на приемника спрямо средата. Той има положителна стойност, ако приемникът се движи към източника, и отрицателна, ако се отдалечава.

Най-общо формулата за честотата, възприемана от приемника, е:

Ефектът на Доплер се наблюдава за вълни с всякаква честота, както и за електромагнитно излъчване.

Къде се прилага ефектът на Доплер?

Ефектът на Доплер се използва навсякъде, където е необходимо да се измери скоростта на обекти, които могат да излъчват или отразяват вълни. Основното условие за появата на този ефект е движението на източника на вълна и приемника един спрямо друг.

Доплеровият радар е инструмент, който излъчва радиовълни и след това измерва честотата на вълната, отразена от движещ се обект. Променяйки честотата на сигнала, той определя скоростта на обекта. Такива радари се използват от пътните полицаи за идентифициране на нарушители, превишаващи допустимата скорост. Ефектът на Доплер се използва в морската и въздушната навигация, в детекторите за движение в системите за сигурност, за измерване на скоростта на вятъра и облаците в метеорологията и др.

Често чуваме за такова изследване в кардиологията като Доплерова ехокардиография. Ефектът на Доплер в този случай се използва за определяне на скоростта на движение на сърдечните клапи и скоростта на кръвния поток.

И дори скоростта на движение на звезди, галактики и други небесни тела се научи да се определя от изместването на спектралните линии с помощта на ефекта на Доплер.