Эффект Доплера: суть явления, определение, примеры

Эффект Доплера — важнейшее явление в физике волн. Но прежде чем говорить о нем, надо вспомнить, что такое колебания и волны.

Колебания — повторяющийся процесс изменения состояния системы около положения равновесия. Волна — это колебание, способное удаляться от места своего возникновения и распространяться в окружающей среде. Хороший пример этого физического явления — звук. Причиной его возникновения являются механические колебания воздуха.

Суть эффекта Доплера

Физические явления проще всего разбирать на простых моделях. Это же относится и к эффекту Доплера. Представьте, что вы стоите на улице и наблюдаете за дорогой, по которой движется машина с сиреной. Частота звука, который слышите вы по мере приближения машины, будет разной.

Пока автомобиль был далеко, звук слышался слабо, т.е. его частота была низкой. Максимально высокой частоты звук достигнет, когда машина будет проезжать мимо вас. Далее он будет уменьшаться. Вот вы и столкнулись с эффектом Доплера. А именно восприятием наблюдателя частоты и длины волны излучения, которые изменяются вследствие движения источника. 

Данное явление было открыто и теоретически обосновано Кристианом Доплером в 1842 году. Австрийский физик наблюдал за кругами на воде и предположил, что этот эффект применимо для любого вида волн. Экспериментально эффект был доказан позже.

Вышеназванный пример показывает эффект Доплера относительно звуковых волн, но физическое явление справедливо не только для них. Итак, выделяют его следующие виды:

1. Акустический эффект Доплера.
2. Оптический эффект Доплера.
3. Эффект Доплера для электромагнитных волн.
4. Релятивистский эффект Доплера.

Подтверждение эффекта Доплера в ходе экспериментов

Как мы уже упоминали ранее, практически эффект Доплера был доказан позднее и связан с интересным экспериментом. Голландский метеоролог Христиан Баллот провел необычный физический опыт. Для участия в эксперименте был приглашен оркестр, в котором состояли музыканты с абсолютным слухом, а также взят мощный локомотив. Какая-то часть музыкантов — в основном это были трубачи — ехала на открытой площадке поезда и тянула одну и ту же ноту. Остальные слушали со станции игру своих коллег. Эксперимент длился два дня. Результат — много сожжённого угля, усталость всех участников и выдающийся итог. Опыт показал, что высота звука зависит от относительной скорости источника или наблюдателя.

Применение эффекта Доплера

Мало открыть и подтвердить физическое явление, важно еще найти ему применение в реальной жизни. Эффект Доплера помогает определить скорость движения объекта при помощи специального датчика. Таким образом, радиосигналы, которые посылает радар, отражаются от автомобиля и возвращаются назад. Важным моментом является то, что смещение частоты возвращения сигналов имеет тесную взаимосвязь со скоростью машины. Сопоставление этих параметров дает возможность вычислить, как быстро двигается авто.

Данное физическое явление нашло применение в медицине. Именно эффект Доплера лежит в основе приборов УЗИ-диагностики. Существуют также методики, которые носят название доплерография.

Эффект Доплера широко используется в оптике, астрономии, радиолокации и электронике, акустике.

Открытие данного физического явления оказало значительное влияние на развитие и становление науки. Судите сами, эффект Доплера входит в список доказательств теории Большого взрыва. Согласно ей Вселенная расширяется. Ученые подтвердили, что при наблюдении удаленных галактик наблюдается красное смещение, что свидетельствует о сдвиге спектральных линий. Если применить к этому эффект Доплера, напрашивается вывод, который согласуется с теорией: галактики удаляются друг от друга, Вселенная расширяется.

Формула для эффекта Доплера

Как и многие научные открытия, эффект Доплера подвергся критике. Причина — громоздкое теоретическое обоснование и минимально краткий вывод формулы. Но ведь это можно рассматривать и в положительном ключе.

Итак, U — это скорость приемника относительно среды, V — скорость источника, C — скорость распространения волн в окружающей среде, Wо — частота волн источника, W — частота волн, которую фиксирует приемник.

Релятивистский эффект Доплера

Релятивистский — это термин, который в физической науке употребляется для обозначения явлений, зависимых от скорости, близкой к скорости света.

Электромагнитные волны могут распространяться в вакууме. В таких случаях для расчета эффекта Доплера учитывается релятивистское замедление времени. C, V — скорости источника относительно приемника, тета — угол между направлением на источник и вектором скорости, которые связаны с системой отсчета приемника.

Эффект Доплера имеет важное значение в физическом мире. Знать о нем, а также применять формулы, которые объясняют это явление, важно и нужно для тех, кто получает инженерное образование. Сложно? Специалисты ФениксХелп помогут научиться решать задачи, в условиях которых задействован эффект Доплера легко и просто