Ziņa no administratora:

Puiši! Kurš jau sen ir gribējis mācīties angļu valodu?
Dodieties uz un saņemt divas bezmaksas nodarbības SkyEng angļu valodas skolā!
Es pats tur mācos - tas ir ļoti forši. Ir progress.

Lietojumprogrammā var iemācīties vārdus, trenēt klausīšanos un izrunu.

Pamēģināt. Divas nodarbības bez maksas, izmantojot manu saiti!
Klikšķis

Ja viļņu avots pārvietojas attiecībā pret vidi, tad attālums starp viļņu virsotnēm (viļņa garums) ir atkarīgs no kustības ātruma un virziena. Ja avots virzās uz uztvērēja pusi, tas ir, panāk viļņu, ko tas izstaro, tad viļņa garums samazinās. Ja tas tiek noņemts, viļņa garums palielinās.

Viļņa frekvence kopumā ir atkarīga tikai no ātruma, ar kādu uztvērējs pārvietojas

Tiklīdz vilnis ir sācies no avota, tā izplatīšanās ātrumu nosaka tikai tās vides īpašības, kurā tas izplatās - viļņa avots vairs nespēlē nekādu lomu. Piemēram, uz ūdens virsmas viļņi, reiz uzbudināti, pēc tam izplatās tikai spiediena spēku, virsmas spraiguma un gravitācijas mijiedarbības dēļ. Akustiskie viļņi izplatās gaisā (un citos skaņu vadošos līdzekļos) spiediena atšķirību virziena pārraides dēļ. Un neviens no viļņu izplatīšanās mehānismiem nav atkarīgs no viļņu avota. Līdz ar to Doplera efekts.

Lai padarītu to skaidrāku, aplūkosim piemēru par automašīnu ar sirēnu.

Vispirms pieņemsim, ka automašīna stāv. Sirēnas skaņa mūs sasniedz, jo tajā esošā elastīgā membrāna periodiski iedarbojas uz gaisu, radot tajā kompresijas - paaugstināta spiediena zonas - mijas ar vakuumu. Kompresijas virsotnes - akustiskā viļņa "virsmas" - izplatās pa vidi (gaisu), līdz tās sasniedz mūsu ausis un ietekmē bungādiņas. Tātad, kamēr automašīna stāv, mēs turpināsim dzirdēt nemainīgu tās signāla toni.

Bet, tiklīdz automašīna sāks kustēties tavā virzienā, tiks pievienota jauna Efekts. Laikā no viena viļņa pīķa izstarošanas līdz nākamajam, automašīna nobrauks kādu attālumu pret jums. Šī iemesla dēļ katra nākamā viļņa pīķa avots būs tuvāks. Rezultātā viļņi sasniegs jūsu ausis biežāk nekā tad, kad automašīna stāvēja, un palielināsies skaņas augstums, ko jūs uztverat. Un otrādi, ja automašīna ar skaņas signālu tiek braukta pretējā virzienā, akustisko viļņu virsotnes retāk sasniegs jūsu ausis, un samazināsies uztveramā skaņas frekvence.

Tas ir svarīgi astronomijā, sonāros un radaros. Astronomijā noteiktas izstarotās gaismas frekvences Doplera nobīdi var izmantot, lai spriestu par zvaigznes kustības ātrumu pa tās novērošanas līniju. Pārsteidzošākais rezultāts ir, novērojot Doplera nobīdi gaismas frekvencēs no tālu galaktikām: tā sauktā sarkanā nobīde norāda, ka visas galaktikas attālinās no mums ar ātrumu, kas ir aptuveni puse no gaismas ātruma, palielinoties attālumam. Jautājums par to, vai Visums paplašinās līdzīgi, vai sarkanā nobīde ir saistīta ar kaut ko citu, nevis galaktiku “izkliedi”, paliek atklāts.

Kristians Doplers 1842. gadā, strādājot Čehijas Tehniskajā universitātē, teorētiski, kā saka, “pildspalvas galā”, secināja novērotāja uztverto svārstību biežuma atkarību no viļņu avota kustības ātruma un virziena. un novērotājs attiecībā pret otru.
Kā piemēru šīs parādības izskaidrošanai tagad ir pieņemts aprakstīt, kā mainās vilciena svilpes tonis, kad tas tuvojas vai attālinās no novērotāja, kurš stāv uz perona.
Kurš gan no mums nav dzirdējis šo augsto, kāpjošo toni, kas pēkšņi strauji pārvēršas zemā?

Rags rada vibrācijas (skaņas viļņus), bet virzoties uz to, šķiet, ka tās saspiež, un attālinoties izstiepj.
Tas saspiežas, jo attālums samazinās un katrs nākamais vilnis prasa mazāk laika, lai sasniegtu novērotāju, bet pretējā virzienā, tieši otrādi, nepieciešams vairāk laika – viļņi stiepjas.
Frekvence (viļņu skaits laika vienībā — F), izplatīšanās ātrums (V) un viļņa garums (no virsotnes līdz virsotnei — L) ir saistīti ar vienkāršu formulu:

F=V/L

Kristians Doplers atklāja šo efektu, pētot gaismas dabu, t.i. Šādi rīkojas ne tikai skaņas viļņi vai ūdens viļņi no peldošās pīles.
Tādā pašā veidā elektromagnētisko svārstību frekvence mainās atkarībā no šo svārstību avota vai uztvērēja kustības virziena. Tas nozīmē, ka, ja apstaro jebkuru kustīgu objektu ar noteiktas frekvences elektromagnētisko viļņu un pēc tam salīdzina šo frekvenci ar uztverto atstaroto, tad no starpības var noteikt šī objekta ātrumu un kustības virzienu.

Tā tika izgudrots "Doplera ātruma mērītājs" jeb radars.

Tuvojas automašīnas atstarotā viļņa frekvence ir augstāka nekā radara izstarotā frekvence, un braucošas automašīnas atstarotā viļņa frekvence ir mazāka. Tas ir Doplera efekts.
Transportlīdzekļa ātrumu aprēķina no frekvences starpības starp izstarotajiem un atstarotajiem viļņiem.

Interesanti, ka ir neskaidrības par nosaukuma (un efekta) "Doplera" pareizrakstību. Tā klasiskajā uzziņu literatūrā, piemēram, in

Vai esat kādreiz pamanījis, ka automašīnas sirēnas skaņai ir atšķirīgs tonis, kad tā tuvojas jums vai attālinās no jums?

Atkāpjoties un tuvojoša vilciena vai automašīnas svilpes vai sirēnas biežuma atšķirība, iespējams, ir visredzamākais un visizplatītākais Doplera efekta piemērs. Teorētiski atklāja austriešu fiziķis Kristians Doplers, un šim efektam vēlāk būs galvenā loma zinātnē un tehnoloģijā.

Novērotājam starojuma viļņa garumam būs atšķirīga vērtība dažādos avota ātrumos attiecībā pret novērotāju. Tuvojoties avotam, viļņa garums samazināsies, un, attālinoties, tas palielināsies. Līdz ar to arī frekvence mainās līdz ar viļņa garumu. Tāpēc tuvojoša vilciena svilpes biežums ir ievērojami augstāks nekā svilpes frekvence, kad tas virzās prom. Patiesībā šī ir Doplera efekta būtība.

Doplera efekts ir daudzu mērīšanas un pētniecības instrumentu darbības pamatā. Mūsdienās to plaši izmanto medicīnā, aviācijā, astronautikā un pat ikdienas dzīvē. Doplera efekts nodrošina satelītnavigācijas un ceļu radarus, ultraskaņas iekārtas un drošības signalizāciju. Doplera efekts ir kļuvis plaši izmantots zinātniskajos pētījumos. Varbūt viņš ir vislabāk pazīstams astronomijā.

Iedarbības skaidrojums

Lai saprastu Doplera efekta būtību, vienkārši paskatieties uz ūdens virsmu. Apļi uz ūdens lieliski demonstrē visas trīs jebkura viļņa sastāvdaļas. Iedomāsimies, ka kāds stacionārs pludiņš veido apļus. Šajā gadījumā periods atbildīs laikam, kas pagājis starp viena un nākamā apļa emisiju. Frekvence ir vienāda ar apļu skaitu, ko pludiņš izstaro noteiktā laika periodā. Viļņa garums būs vienāds ar divu secīgi izstarotu apļu rādiusu starpību (attālums starp divām blakus esošām virsotnēm).

Iedomāsimies, ka šim nekustīgajam pludiņam tuvojas laiva. Tā kā tā virzās uz grēdām, laivas ātrums tiks pieskaitīts apļu izplatīšanās ātrumam. Tāpēc attiecībā pret laivu palielināsies pretimbraucošo grēdu ātrums. Tajā pašā laikā viļņa garums samazināsies. Līdz ar to samazināsies laiks, kas paies starp divu blakus esošo apļu triecieniem laivas malā. Citiem vārdiem sakot, periods samazināsies un attiecīgi palielināsies biežums. Tādā pašā veidā atkāpjošai laivai samazināsies to cekulu ātrums, kas tagad to panāks, un palielināsies viļņa garums. Tas nozīmē palielināt periodu un samazināt biežumu.

Tagad iedomājieties, ka pludiņš atrodas starp divām stacionārām laivām. Turklāt makšķernieks vienā no tiem velk pludiņu sev pretī. Iegūstot ātrumu attiecībā pret virsmu, pludiņš turpina izstarot tieši tādus pašus apļus. Tomēr katra nākamā apļa centrs tiks nobīdīts attiecībā pret iepriekšējā apļa centru uz laivu, kurai tuvojas pludiņš. Tāpēc šīs laivas malā attālums starp grēdām tiks samazināts. Izrādās, ka apļi ar samazinātu viļņa garumu, tātad ar samazinātu periodu un palielinātu frekvenci, nonāks pie laivas, zvejniekam velkot pludiņu. Līdzīgi viļņi ar palielinātu garumu, periodu un samazinātu biežumu sasniegs citu zvejnieku.

Daudzkrāsainas zvaigznes

Šādus viļņu īpašību izmaiņu modeļus uz ūdens virsmas savulaik pamanīja Kristians Doplers. Katru šādu gadījumu viņš aprakstīja matemātiski un iegūtos datus piemēroja skaņai un gaismai, kam arī ir viļņveida raksturs. Doplers ierosināja, ka zvaigžņu krāsa tādējādi ir tieši atkarīga no ātruma, ar kādu tās tuvojas mums vai attālinās no mums. Viņš izklāstīja šo hipotēzi rakstā, ko viņš iesniedza 1842. gadā.

Ņemiet vērā, ka Doplers kļūdījās attiecībā uz zvaigžņu krāsu. Viņš uzskatīja, ka visas zvaigznes izstaro baltu krāsu, kas pēc tam tiek izkropļota to ātruma dēļ attiecībā pret novērotāju. Faktiski Doplera efekts neietekmē zvaigžņu krāsu, bet gan to spektra modeli. Zvaigznēm, kas attālinās no mums, visas spektra tumšās līnijas palielinās viļņa garumu - pāriet uz sarkano pusi. Šis efekts zinātnē ir noteikts ar nosaukumu “sarkanā maiņa”. Gluži pretēji, zvaigznēs, kas tuvojas, līnijas tiecas uz spektra daļu ar augstāku frekvenci - violetu krāsu.

Šo spektrālo līniju iezīmi, kuras pamatā ir Doplera formulas, 1848. gadā teorētiski paredzēja franču fiziķis Armands Fizo. To 1868. gadā eksperimentāli apstiprināja Viljams Haginss, kurš sniedza lielu ieguldījumu kosmosa spektrālajā izpētē. Jau 20. gadsimtā Doplera efektu spektra līnijām sauca par "sarkano nobīdi", pie kuras mēs atgriezīsimies.

Koncerts uz sliedēm

1845. gadā holandiešu meteorologs Bojs-Balots un vēlāk pats Doplers veica virkni eksperimentu, lai pārbaudītu Doplera “skaņas” efektu. Abos gadījumos viņi izmantoja jau iepriekš minēto tuvojoša un aizejoša vilciena taures efektu. Svilpes lomu spēlēja trompetistu grupas, kuras, atrodoties kustīga vilciena vaļējā vagonā, spēlēja noteiktu noti.

Beuys-Ballot sūtīja garām trompetistus cilvēkiem ar labu dzirdi, kuri ierakstīja notis izmaiņas dažādos skaņdarba ātrumos. Pēc tam viņš atkārtoja šo eksperimentu, novietojot trompetistus uz platformas, bet klausītājus – karietē. Doplers ierakstīja divu trompetistu grupu nošu disonansi, kas vienlaikus tuvojās un attālinājās no viņa, atskaņojot vienu noti.

Abos gadījumos Doplera efekts skaņas viļņiem tika veiksmīgi apstiprināts. Turklāt katrs no mums var veikt šo eksperimentu ikdienā un pārliecināties par to. Tāpēc, neskatoties uz to, ka laikabiedri kritizēja Doplera efektu, turpmākie pētījumi padarīja to nenoliedzamu.

Kā minēts iepriekš, Doplera efektu izmanto, lai noteiktu kosmosa objektu ātrumu attiecībā pret novērotāju.

Tumšās līnijas kosmisko objektu spektrā sākotnēji vienmēr atrodas stingri noteiktā vietā. Šī vieta atbilst konkrēta elementa absorbcijas viļņa garumam. Attiecībā uz objektu, kas tuvojas vai attālinās, visas joslas maina savas pozīcijas attiecīgi uz violeto vai sarkano spektra apgabalu. Salīdzinot sauszemes ķīmisko elementu spektrālās līnijas ar līdzīgām līnijām zvaigžņu spektros, mēs varam novērtēt ātrumu, ar kādu objekts tuvojas mums vai attālinās no mums.

Sarkano nobīdi galaktiku spektros atklāja amerikāņu astronoms Vesto Slifers 1914. gadā. Viņa tautietis Edvīns Habls salīdzināja attālumus līdz galaktikām, kuras viņš atklājis ar to sarkanās nobīdes lielumu. Tātad 1929. gadā viņš nonāca pie secinājuma, ka, jo tālāk atrodas galaktika, jo ātrāk tā attālinās no mums. Kā vēlāk izrādās, viņa atklātais likums bija diezgan neprecīzs un ne visai pareizi aprakstīja patieso ainu. Tomēr Habls noteica pareizo tendenci turpmākiem pētījumiem, ko veica citi zinātnieki, kuri pēc tam ieviesa kosmoloģiskās sarkanās nobīdes jēdzienu.

Atšķirībā no Doplera sarkanās nobīdes, kas rodas no pareizas galaktiku kustības attiecībā pret mums, kosmoloģiskā sarkanā nobīde rodas no telpas paplašināšanās. Kā jūs zināt, Visums vienmērīgi izplešas visā tā tilpumā. Tāpēc, jo tālāk divas galaktikas atrodas viena no otras, jo ātrāk tās attālinās viena no otras. Tātad katrs megaparseks starp galaktikām noņems tās vienu no otras par aptuveni 70 kilometriem katru sekundi. Šo lielumu sauc par Habla konstanti. Interesanti, ka pats Habls sākotnēji novērtēja savu konstanti līdz pat 500 km/s uz megaparseku.

Tas izskaidrojams ar to, ka viņš nav ņēmis vērā faktu, ka jebkuras galaktikas sarkanā nobīde ir divu dažādu sarkano noviržu summa. Papildus tam, ka tās virza Visuma paplašināšanās, galaktikas arī iziet savas kustības. Ja relativistiskajai sarkanajai nobīdei ir vienāds sadalījums visiem attālumiem, tad Doplera sarkanā nobīde pieņem visneprognozējamākās neatbilstības. Galu galā galaktiku pareiza kustība to kopās ir atkarīga tikai no savstarpējas gravitācijas ietekmes.

Tuvas un tālas galaktikas

Starp blakus esošajām galaktikām Habla konstante praktiski nav piemērojama, lai novērtētu attālumus starp tām. Piemēram, Andromedas galaktikā ir totāla violeta nobīde attiecībā pret mums, jo tā tuvojas Piena ceļam ar ātrumu aptuveni 150 km/s. Ja mēs tam piemērojam Habla likumu, tad tai vajadzētu attālināties no mūsu galaktikas ar ātrumu 50 km/s, kas nekādi neatbilst realitātei.

Tālām galaktikām Doplera sarkanā nobīde ir gandrīz nemanāma. To izņemšanas ātrums no mums ir tieši atkarīgs no attāluma un ar nelielu kļūdu atbilst Habla konstantei. Tātad visattālākie kvazāri attālinās no mums ar ātrumu, kas lielāks par gaismas ātrumu. Savādi, bet tas nav pretrunā ar relativitātes teoriju, jo tas ir telpas paplašināšanās ātrums, nevis paši objekti. Tāpēc ir svarīgi spēt atšķirt Doplera sarkano nobīdi no kosmoloģiskās.

Ir arī vērts atzīmēt, ka elektromagnētisko viļņu gadījumā rodas arī relatīvistiski efekti. Viļņa raksturu ietekmē arī pavadošie laika izkropļojumi un lineāro izmēru izmaiņas, ķermenim pārvietojoties attiecībā pret novērotāju. Kā jebkurā gadījumā ar relatīvistiskiem efektiem

Protams, bez Doplera efekta, kas ļāva atklāt sarkano nobīdi, mēs nezinātu par Visuma liela mēroga struktūru. Tomēr astronomi par šo viļņu īpašību ir vairāk parādā.

Doplera efekts var noteikt nelielas novirzes zvaigžņu pozīcijās, kuras var radīt planētas, kas riņķo ap tām. Pateicoties tam, ir atklāti simtiem eksoplanetu. To izmanto arī, lai apstiprinātu iepriekš ar citām metodēm atklātu eksoplanetu klātbūtni.

Doplera efektam bija izšķiroša loma tuvu zvaigžņu sistēmu izpētē. Kad divas zvaigznes atrodas tik tuvu, ka tās nevar redzēt atsevišķi, Doplera efekts nāk palīgā astronomiem. Tas ļauj izsekot zvaigžņu neredzamajai savstarpējai kustībai pa to spektru. Šādas zvaigžņu sistēmas ir pat sauktas par "optiskām binārajām sistēmām".

Izmantojot Doplera efektu, jūs varat novērtēt ne tikai kosmosa objekta ātrumu, bet arī tā rotācijas ātrumu, izplešanos, atmosfēras plūsmu ātrumu un daudz ko citu. Pateicoties šim efektam, tiek mērīts Saturna gredzenu ātrums, miglāju izplešanās, zvaigžņu pulsācijas. To izmanto pat zvaigžņu temperatūras noteikšanai, jo temperatūra ir arī kustības rādītājs. Var teikt, ka mūsdienu astronomi mēra gandrīz visu, kas saistīts ar kosmosa objektu ātrumiem, izmantojot Doplera efektu.

Skaņu cilvēks var uztvert atšķirīgi, ja skaņas avots un klausītājs pārvietojas viens pret otru. Tas var šķist garāks vai īsāks nekā patiesībā.

Ja skaņas viļņu avots un uztvērējs atrodas kustībā, tad uztvērēja uztvertās skaņas frekvence atšķiras no skaņas avota frekvences. Viņiem tuvojoties, frekvence palielinās, un, attālinoties, tā samazinās. Šo fenomenu sauc Doplera efekts , nosaukts zinātnieka vārdā, kurš to atklāja.

Doplera efekts akustikā

Daudzi no mums ir novērojuši, kā mainās lielā ātrumā braucoša vilciena svilpes tonis. Tas ir atkarīgs no skaņas viļņa frekvences, ko uztver mūsu auss. Tuvojoties vilcienam, šī frekvence palielinās un signāls kļūst augstāks. Attālinoties no novērotāja, frekvence samazinās un mēs dzirdam zemāku skaņu.

Tas pats efekts tiek novērots, kad skaņas uztvērējs kustas un avots nekustas, vai kad abi ir kustībā.

Kāpēc mainās skaņas viļņu frekvence, skaidroja austriešu fiziķis Kristians Doplers. 1842. gadā viņš pirmo reizi aprakstīja frekvences maiņas efektu, ko sauc Doplera efekts .

Kad skaņas uztvērējs tuvojas stacionāram skaņas viļņu avotam, laika vienībā tas savā ceļā sastopas ar vairāk viļņu nekā tad, ja tas būtu nekustīgs. Tas nozīmē, ka tas uztver augstāku frekvenci un dzird augstāku toni. Kad tas attālinās, laika vienībā šķērsoto viļņu skaits samazinās. Un skaņa šķiet zemāka.

Kad skaņas avots virzās uztvērēja virzienā, šķiet, ka tas panāk tā radīto vilni. Tā garums samazinās, tāpēc tā biežums palielinās. Ja tas attālinās, viļņa garums kļūst garāks un frekvence zemāka.

Kā aprēķināt uztvertā viļņa frekvenci

Skaņas vilnis var izplatīties tikai vidē. Tās garums λ ir atkarīgs no tā kustības ātruma un virziena.

Kur ω 0 - apļveida frekvence, ar kādu avots izstaro viļņus;

Ar - viļņu izplatīšanās ātrums vidē;

v - ātrums, ar kādu viļņu avots pārvietojas attiecībā pret vidi. Tā vērtība ir pozitīva, ja avots virzās uztvērēja virzienā, un negatīva, ja tas attālinās.

Fiksētais uztvērējs uztver frekvenci

Ja skaņas avots ir nekustīgs un uztvērējs kustas, tad frekvence, ko tas uztvers, ir vienāda ar

Kur u - uztvērēja ātrums attiecībā pret datu nesēju. Tam ir pozitīva vērtība, ja uztvērējs virzās uz avotu, un negatīva, ja tas attālinās.

Parasti uztvērēja uztvertās frekvences formula ir šāda:

Doplera efekts tiek novērots jebkuras frekvences viļņiem, kā arī elektromagnētiskajam starojumam.

Kur tiek izmantots Doplera efekts?

Doplera efektu izmanto visur, kur nepieciešams izmērīt objektu ātrumu, kas spēj izstarot vai atstarot viļņus. Galvenais šī efekta parādīšanās nosacījums ir viļņu avota un uztvērēja kustība viens pret otru.

Doplera radars ir instruments, kas izstaro radioviļņus un pēc tam mēra no kustīga objekta atstarotā viļņa frekvenci. Mainot signāla frekvenci, tas nosaka objekta ātrumu. Šādus radarus ceļu policijas darbinieki izmanto, lai identificētu pārkāpējus, kuri pārsniedz atļauto ātrumu. Doplera efektu izmanto jūras un gaisa navigācijā, kustību detektoros drošības sistēmās, vēja un mākoņu ātruma mērīšanai meteoroloģijā u.c.

Mēs bieži dzirdam par tādu pētījumu kardioloģijā kā Doplera ehokardiogrāfiju. Doplera efektu šajā gadījumā izmanto, lai noteiktu sirds vārstuļu kustības ātrumu un asins plūsmas ātrumu.

Un pat zvaigžņu, galaktiku un citu debess ķermeņu kustības ātrumu ir iemācījies noteikt ar spektrālo līniju nobīdi, izmantojot Doplera efektu.