Что такое эффект доплера поясните
Эффект Доплера – явление физики, связанное с изменением основных характеристик волн. К ним относятся длина, обозначающая расстояние между ближайшими точками, и частота, равная числу колебаний за секунду.
Кратко об авторе физического явления
Кристиан Доплер – австрийский физик, астроном и математик. Он занимался исследованиями в области оптики и акустики. Участвовал в создании дальномера, определяющего расстояния до предметов. Прибор ценен в геодезии, используется при фотографировании.
Доплер изучал микроскопы, теорию цветов. Он наблюдал за движением волн на воде и сделал предположение, что подобным закономерностям подчиняются изменения в воздухе. Ученый опирался на теорию, доказывающую, что свет влияет на восприятие цветов.
Свет представляет собой электромагнитную волну, от длины которой зависят видимые человеком тона и оттенки. Это помогло ему сделать открытие о том, что близкое нахождение у источника света приводит к увеличению частоты волны. Соответственно, при отдалении она уменьшается.
Что такое эффект Доплера простыми словами
Эффект Доплера говорит о том, что волновые характеристики изменяются при движении источника их распространения относительно наблюдателя. Или наоборот, когда движется приемник.
Главное, исключить состояние покоя, он действует только в изменяющейся среде.
Любая волна имеет длину или расстояние между гребнями. При приближении к источнику ее распространения требуется меньше времени, чтобы добраться до наблюдателя. Д
ругими словами, длина ее уменьшается или за секунду пройдет больше пиков. Именно из-за этого увеличивается частота. Она определяется по простой формуле, представляющей собой отношение скорости волны к ее длине.
Если переложить теорию на звук, то удаление от места его распространения приводит к уменьшению его силы, он становится более тихим. Приближение же вызывает увеличение громкости, что также связано с изменением частоты звуковой волны.
Австрийский ученый связал акустические и оптические явления. Природа волн не меняется. Это утверждение привело к более широкому применению открытого метода.
Эффект Доплера можно объяснить и электромагнитными волнами, разные длины которых заставляют видеть отличные друг от друга цвета:
при приближении к источнику спектр смещается к фиолетовому оттенку, который вызывают короткие волны;
при нахождении на дальнем расстоянии отчетливо виден красный цвет, отличающийся большей длиной волны.
Можно рассмотреть как пример движение машины с включенным проблесковым маячком. Обычно изменение его цвета не заметно. Хотя автомобиль сначала приближается, а затем удаляется. Но если бы он двигался со скоростью, приближенной к скорости света, то спектр мигающей лампочки при близком нахождении к наблюдателю сместился бы в синюю сторону, а при удалении стал бы красным.
Сейчас существует обратный эффект Доплера, работающий на основе искусственно созданного материала. Это кристалл, обладающий отрицательным коэффициентом преломления и выполняющий роль призмы. Когда свет проходит через него, при уменьшении расстояния он смещается к красному спектру, при отдалении – приближается к синему.
Применение эффекта Доплера
Именно благодаря эффекту Доплера удалось сделать открытие о том, что вселенная расширяется. Это также объясняют разные оттенки, воспринимаемые при изменении длины волны.
Спектры галактик характеризуются красным цветом, это свидетельствует об удалении. Подобное открытие привело к закону Хаббла, который установил прямую взаимосвязь между красным смещением галактик и расстоянием до них.
Также открытие Доплера помогло обнаружить ряд планет, находящихся за пределами Солнечной системы.
Доплеровские радары измеряют скорости различных объектов. От них отражаются посланные прибором сигналы и по их частоте можно определить, где расположился предмет. Так определяют скорость автомобилей, кораблей, даже следят за облаками в небе и измеряют силу ветра. Значение открытия для радиолокации переоценить невозможно.
Эффект Доплера помогает зафиксировать движение в помещении или около автомобиля, что активно используется для создания охранных сигнализаций. Изменение частоты волн приводит к запуску приборов, задача которых – громкими звуками оповестить о нежелательном вторжении.
Метод, основанный на открытии Доплера, имеет значение и в медицине. Проводятся важные исследования, основанные на сдвиге частоты волн:
определяется скорость кровотока, оценивается движение сердечных стенок и клапанов, что необходимо для эхокардиограммы;
проводится сканирование сосудов головы, шеи, конечностей, измеряется толщина их стенок, выясняется наличие или отсутствие тромбов;
отслеживается ход беременности.
Эффект Доплера, объясняющий зависимость между характеристикой волн и расстоянием до них, нашел широкое применение в жизни. Он позволяет проводить астрологические исследования, облегчает жизнь, обеспечивая людей охранными приборами, и вносит огромный вклад в диагностическую медицину.
Эффект Доплера – что это такое? Определение эффекта, примеры и формула расчета
Вы наверняка замечали, что звук гудка проезжающего мимо вас автомобиля или поезда меняется, в зависимости от того, приближаются они к вам или отдаляются от вас. Это нетрудно заметить, но труднее понять и объяснить, что и смог сделать в 1842 году австрийский математик и физик Кристиан Доплер. Именно это объяснение сделало его всемирно известным учёным, а его открытию суждено было изменить не только физику, но и астрономию, космологию, медицину, да и повседневную жизнь тоже.
1. Определение эффекта Доплера
Что же происходит и в чём причина этого эффекта?
Нам хорошо известно, что звук — это механические упругие волны. Основными характеристиками любой волны являются:
Мы будем говорить сейчас о трёх из них — длине волны, скорости волны и частоте колебаний, которые связаны друг с другом формулой 
где λ — длина волны, v — скорость волны, а ν — частота колебаний. Если, к примеру, находящийся в воде поплавок начнёт совершать вертикальные колебания, то по воде начнут расходиться круги, расстояние между которыми и будет равно длине волны. Поплавок, в данном случае, представляет собой неподвижный источник волн, то есть, совершая колебания, он, тем не менее, остаётся на том же месте по отношению к неподвижному относительно Земли наблюдателю. Но совсем иначе будет выглядеть волновая картина, если источник волн будет либо приближаться, либо удаляться от наблюдателя.
Проводя наблюдения за волнами на воде, Доплер заметил, что когда источник волн приближается к наблюдателю, то длина волны становится немного меньше, а следовательно, частота становится немного больше, то есть количество гребней перед движущимся источником волн больше, чем позади него. Именно поэтому звук приближающегося автомобиля или поезда будет более высоким. С другой стороны, когда источник волн удаляется от наблюдателя, то длина волны становится немного больше, а следовательно, частота становится немного меньше, то есть количество гребней волны позади движущегося источника меньше, чем впереди него. Именно поэтому звук удаляющегося от нас автомобиля или поезда будет более низким. В этом и состоит суть эффекта Доплера — изменение длины волны или её частоты при движении источника волны к наблюдателю или от него. И это изменение можно довольно легко подсчитать, зная скорость движения источника волн и их длину или частоту в случае, если источник неподвижен относительно наблюдателя.
2. Эксперименты
Чтобы увидеть эффект Доплера своими глазами или услышать своими ушами вовсе не нужны специальные лаборатории или сложные установки. Вот описание двух простых экспериментов, в ходе которых можно его наблюдать.
Возьмите свисток и прикрепите к нему длинную гибкую трубку так, чтобы можно было свистеть в свисток при помощи этой трубки. Если держать трубку и свисток неподвижно и дуть в трубку, то будет слышаться ровный свист, а если раскрутить трубку со свистком, не прекращая дуть в неё, то можно будет услышать как меняется звук свистка при приближении к вам и отдалении от вас. Это и будет наглядным подтверждением эффекта Доплера.
Второй эксперимент осуществить сложнее, но именно его осуществил в 1845 году голландский метеоролог и химик Христофор Бёйс-Баллот. Суть эксперимента сводилась к тому, что в поезде размещались музыканты-трубачи, которые должны были играть одну и ту же ноту, а на станции, мимо которой проезжал этот поезд, другая группа музыкантов должна была внимательно слушать как меняется тон этого звука при приближении и удалении поезда. Музыканты — люди с очень хорошим слухом, и им как никому другому проще всего определить это изменение, что они успешно и выполнили, подтвердив экспериментально открытый Доплером эффект.
Но самый простой способ убедиться в существовании этого эффекта — прислушаться к сирене машины скорой помощи в момент, когда она приближается к вам и в момент, когда она, проехав мимо вас, удаляется. Звук сирены будет отличаться, хотя никаких изменений в работе сирены на самом деле не происходит. Это и есть эффект Доплера для звуковых волн.
3. Формула и применение
Как уже было сказано, зная скорость источника волн по отношению к неподвижному наблюдателю можно определить регистрируемую приёмником частоту волны. Формулу, позволяющую это сделать, нетрудно вывести, зная, что 
(здесь v — скорость волн в данной среде, ν0 — частота испускаемых источником волн), и, если источник приближается к неподвижному наблюдателю со скоростью u относительно среды, то 
и тогда частота, которую будет регистрировать неподвижный приёмник, будет равна:
Если же сам приёмник движется относительно среды со скоростью u1, то частота регистрируемых им волн будет равна:
Если же и источник, и приёмник движутся относительно друг друга, то:
Эффект Доплера, как вы, наверное, уже догадались, возникает не только при распространении звуковых волн, но и вообще любых волн, в том числе и электромагнитных, одним из видов которых является видимый свет. Если бы наш глаз был сверхчувствителен, то мы могли бы заметить, что как и в случае со звуком, если источник света приближается к наблюдателю, то длина волны становится меньше, а частота больше, и наоборот, если источник света удаляется от наблюдателя, то длина волны увеличивается, а частота уменьшается. То есть свет зелёной лазерной указки при стремительном её приближении к нам наблюдался бы как слегка голубоватый, а при удалении от нас был бы более жёлтым. Но наш глаз различить этого не может, зато точные приборы могут и этот эффект позволил учёным сделать одно очень важное наблюдение — спектры наблюдаемых нами звёзд немного сдвинуты по частоте в меньшую сторону, что называется «красным смещением» и является доказательством того, что галактики удаляются друг от друга, а значит, Вселенная расширяется. Это, пожалуй, самое важное применение эффекта Доплера в фундаментальной науке. Но эффект Доплера и связанные с ним формулы нашли очень широкое применение не только в астрономии. Прежде всего, стоит сказать о медицине. В ультразвуковой диагностике эффект Доплера применяется для исследования внутренних органов человека. А также, именно эффект Доплера лежит в основе действия полицейских радаров, определяющих скорость автомобиля, и камер, следящих за скоростным режимом на дорогах. Эффект Доплера применяется в метеорологии, воздушной навигации, при расчётах траекторий спутников, системах навигации.
Понять Эйнштейна. Глава 4. Эффект Доплера
Глава 4. Классический эффект Доплера
Если имеются некий источник периодически повторяющихся сигналов (звуковых, электромагнитных) и наблюдатель, принимающий эти сигналы, то движение наблюдателя относительно источника приводит к изменению частоты принимаемых сигналов: если источник и наблюдатель сближаются – частота принимаемых сигналов возрастает, если они удаляются друг от друга – частота падает.
Точно такой же эффект, какой возникает для звуковых сигналов, должен возникать и для световых. Световым сигналом, в широком смысле, является любое визуальное изображение, воспринимаемое глазом или прибором, а источником такого сигнала может быть любой освещенный (либо светящийся) объект, в том числе, все те же башенные часы. Я намерен показать, что эффект, который мы наблюдали со звуковым восприятием часов, будет происходить и с визуальным. Но, чтобы заметить его, потребуется много большая скорость движения наблюдателя относительно часов, ибо световой сигнал несравнимо быстрее звука: не 300 м/с, а 300.000 км/с
Для наглядной иллюстрации светового эффекта Доплера давайте нарисуем пару картинок, очень похожую на предыдущую. Мы только изменим масштабы расстояний, для чего поместим неподвижного наблюдателя на другую планету (например, Луну), самолет с летчиком заменим на ракету с космонавтом, летящую почти со скоростью света, а башню и циферблат часов вообразим такими большими, что их можно разглядеть с Луны. Кроме того, мы добавим на часах секундную стрелку, и вместо последовательности из 10 звуковых ударов используем последовательность изображений циферблата часов, отличающихся положением секундной стрелки. Понятно, что, если звон часов распространялся со скоростью звука, то визуальное изображение самих часов будет распространяться со световой скоростью (изображение, конечно, фокусируется уже в нашем глазу, но сути это совершенно не меняет).
Пусть, как и в прошлый раз, часы показывают примерно 10:00 утра. Положение стрелок на циферблате, которое (на рис.3) одновременно наблюдают лунный наблюдатель и космонавт в ракете, пролетающий рядом, говорит о том, что осталось 10 секунд до 10-ти часов – секундная стрелка, показанная красным цветом, смотрит на цифру «10», и ей остается сделать десять скачков до цифры «12», прежде чем часы покажут ровно 10:00.
От момента, изображенного на рис.3, до момента, изображенного на рис.4, с точки зрения лунного наблюдателя, прошло 5 секунд. Поэтому он на втором рисунке видит секундную стрелку, показывающую на цифру 11. А вот космонавт, летящий навстречу часам со скоростью, близкой к световой, успел увидеть за это время 9 скачков секундной стрелки. С его точки зрения, уже в следующее мгновение на часах будет ровно 10:00.
И то, что происходит с циферблатом часов, относится ко всему, что космонавт видит на Земле: для него быстрее происходят все земные события, все передвижения землян кажутся ему ускоренными в два раза. И значит, время на Земле, по наблюдениям космонавта, течет в 2 раза быстрее. Это кажущееся ускорение всех визуально наблюдаемых явлений и представляет собой эффект Доплера для света в классическом понимании.
Я намеренно стремился избежать математических формул и точных расчетов при первом знакомстве с эффектом Доплера. Если мы выразим визуальный эффект Доплера математическими формулами, выведенными по правилам классической физики, то эти формулы окажутся впоследствии неверными для света. Но – самое главное – они отразят беспомощность классической физики определить по величине Доплер-эффекта относительную скорость часов. Знаете, почему? Потому что кое-что ОЧЕНЬ ВАЖНОЕ ускользнуло от нашего внимания: дело в том, что для вычисления по классическим формулам требуется знать, в какой СО покоится СРЕДА, проводящая сигнал. Или, другими словами, с какой скоростью источник сигнала и наблюдатель движутся относительно среды распространения сигнала. В случае звукового сигнала, эта среда – воздух. И, если на первых двух рисунках дует сильный ветер (попутный либо встречный), то ветер непосредственно влияет на степень нарастания частоты сигнала для летчика (при встречном частота нарастает несколько медленнее, при попутном – быстрее; кому интересно, проверьте сами по классическим формулам). А вот в случае со световым изображением, эта среда – тот самый гипотетический «эфир», на поиски которого ушли (и до сих пор не вернулись) многие принципиальные противники СТО. А в СТО никакой «эфир» не понадобится. Там пустота она и есть пустота (и это огромное и бесспорное преимущество).
Рисунки, однако, отражающие суть эффекта Доплера, останутся пригодными и полезными в рамках нового релятивистского подхода.
Я снова забегу вперед и скажу следующее: эффект Доплера в релятивистской физике будет учитывать разный счет времени в СО наблюдателя и источника, который нам еще предстоит понять, и потому вычисляться будет по иной формуле, чем в классической физике. Да и называться он будет «релятивистским эффектом Доплера». Но СУТЬ его останется той же, и РЕЗУЛЬТАТ будет достаточно схожим:
_________________________________________________________
Эффект Доплера приводит к тому, что наблюдатель, движущийся относительно всех окружающих тел и материальных объектов со скоростью, близкой к скорости света, будет видеть все что происходит впереди него смещенным в фиолетовую область спектра и, главное, происходящим в неестественно быстром темпе, как будто он смотрит ускоренное кино, а все, что остается сзади по ходу его движения, он будет видеть смещенным в инфракрасную область света, и очень статичным, почти неподвижным.
_________________________________________________________
Это и есть ответ на первый принципиальный вопрос, поставленный в начале этой главы. Я привожу его здесь, еще до объяснения СТО, только потому, что практически такой же вывод следует и из классического, «до-релятивистского» эффекта Доплера, если не вдаваться в численную, формульную разницу, которая становится существенной только для околосветовых скоростей.
Сделаю еще одно, может быть, очевидное, но важное замечание: эффект Доплера существует только при условии, что скорость сигнала конечна. Если предположить, что сигнал передается мгновенно, эффект Доплера немедленно исчезнет! Так что, обнаружение светового эффекта Доплера послужило в своё время подтверждением конечности скорости света. Но об этом мы поговорим чуть позже.
Электромагнитный эффект Доплера, Доплеровское рассеяние
Эффект Доплера — изменение частоты, воспринимаемое наблюдателем (приёмником), вследствие движения источника излучения или движения наблюдателя (приёмника).
Эффект Доплера проявляется в том, что у нас частота сигнала изменяется, при движении, либо источника или приемника, относительно передатчика. На картинке, красная точка это источник сигнала, синие кольца фронт волны.
Если у нас источник движется к наблюдателю, то фронты волны уплотняются, источник постоянно пытается догнать эти фронты волны. Расстояние между двумя фронтами волны это период колебаний. Если период колебаний уменьшается, частота увеличивается.
Если источник двигается к наблюдателю, то частота увеличивается. Соответственно, если источник удаляется, то наблюдаемая частота уменьшается, период увеличился, расстояние между фронтами волны увеличивается.
Эффект Доплера применим не только к радиоволнам. Он применим к любым волнам, включая акустические, которые можно наблюдать в повседневной жизни. Автомобиль движется мимо вас с громкой музыкой, сначала он движется к вам, и проезжая мимо вас, двигается от вас и в этот момент времени, наблюдаемая частота будет меньше.
На картинке выше, выражение с помощью которого можно оценить доплеровский сдвиг частоты. Δf — смещение частоты относительно несущей. f0 — несущая частота. v — скорость в м/с.
Пример для эффекта Доплера
Например, есть наблюдатель и источник.
Для примера, если у нас скорость 100 км/ч на частоте 100 МГц доплеровский сдвиг частоты составит 9,25 Гц. Сдвиг Доплера пропорционален частоте несущей и скорости. Все по формуле выше. Если мы увеличиваем частоту или скорость, то эффект Доплера будет проявляться сильнее. Представим, что скорость не 100 км/ч, а 1000 км/ч, тогда у нас будет сдвиг 90 Гц.
Доплеровское расширение спектра
Спектр сигнала определяется не одной спектральной составляющей, а занимает некоторую частотную полосу. Для примера, представили, что спектр состоит из трех спектральных составляющих, с тремя частотами f1, f2, f3.
Источник сигнала и приемник неподвижны. Когда источник сигнала начинает двигаться, то все три составляющие, неравномерно сместятся вверх или вниз по частоте, а расстояние между ними, частотный интервал, будет меняться. Есть f0 частота несущей, чем больше частота несущей, тем больше проявляется эффект Доплера. Соответственно, эффект Доплера на частоту f3, так как она выше по частоте, будет больше, чем эффект на частоту f1. Это приводит к том, что когда возникает эффект Доплера, который действует на все частоты по разному, происходит либо растягивание спектра (движение к объекту), либо сжатие спектра (движение от объекта). Это не просто смещение частоты несущей, это и искажение спектра сигнала.
Когда эффект Доплера небольшой и ширина спектра небольшая в килогерцах, то мы можем пренебречь эффектом. Но когда ширина спектра измеряется мегагерцами, а скорости больше, то здесь пренебрегать эффектом мы не можем, у нас идет явное искажение сигнала.
Доплеровское рассеяние
Если у нас есть многолучевое распространение, передатчик излучил, где-то в пространстве было множество объектов, от которых сигнал отразился и на приемник поступают несколько лучей.
Если отражающая среда двигается, получается, что каждый луч испытывает разный сдвиг частоты. Если мы говорим про короткие волны, ионосфера это облако ионизированного газа, которое, как-то шевелится и из-за того, что к приемнику приходит несколько лучей, каждый луч испытывает разный сдвиг частоты из-за эффекта Доплера, возникает рассеяние.
Если мы излучили сигнал с одной частотой, то на приемник придет сигнал с рассеянным спектром.
Это накладывает ограничения, приводит к искажению спектра сигнала. Если будет два сигнала близких по частоте, то в процессе рассеяния, они наползут друг на друга и будет сложно их отличить друг от друга.
Может быть случай, когда здание неподвижно, передатчик неподвижен, движется приемник. Из-за того, что приемник движется относительно отражающих поверхностей (зданий), расстояние до каждого объекта уменьшается с разной скоростью, получаются разные углы cosθ и скорости. Соответственно, каждый луч будет испытывать сдвиг частоты, будет возникать доплеровский эффект.
Не важно что двигается, передатчик или приемник, в любом случае возникает эффект Доплера, происходит расширение спектра и доплеровское рассеяние.