100kitov.ru

Интересные факты — события, биографии людей, психология
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Эффект Доплера – описание, фото и видео

Эффект Доплера для чайников: суть явления, применение, формула

физика эффект доплера

Эффект Доплера – важнейшее явление в физике волн. Прежде чем перейти напрямую к сути вопроса, немного вводной теории.

Колебание – в той или иной степени повторяющийся процесс изменения состояния системы около положения равновесия. Волна — это колебание, которое способно удаляться от места своего возникновения, распространяясь в среде. Волны характеризуются амплитудой, длиной и частотой. Звук, который мы слышим — это волна, т.е. механические колебания частиц воздуха, распространяющиеся от источника звука.

Вооружившись сведениями о волнах, перейдем к эффекту Доплера. А если хотите узнать больше о колебаниях, волнах и резонансе — добро пожаловать в отдельную статью нашего блога.

Суть эффекта Доплера

Самый популярный и простой пример, объясняющий суть эффекта Доплера – неподвижный наблюдатель и машина с сиреной. Допустим, вы стоите на остановке. К вам по улице движется карета скорой помощи со включенной сиреной. Частота звука, которую вы будете слышать по мере приближения машины, не одинакова.

Сначала звук будет более высокой частоты, когда машина поравняется с остановкой. Вы услышите истинную частоту звука сирены, а по мере удаления частота звука будет понижаться. Это и есть эффект Доплера.

Эффект ДоплераЭффект Доплера

Частота и длина волны излучения, воспринимаемого наблюдателем, изменяется вследствие движения источника излучения.

Если у Кэпа спросят, кто открыл эффект Доплера, он не задумываясь ответит, что это сделал Доплер. И будет прав. Данное явление, теоретически обоснованное в 1842 году австрийским физиком Кристианом Доплером, было впоследствии названо его именем. Сам Доплер вывел свою теорию, наблюдая за кругами на воде и предположив, что наблюдения можно обобщить для всех волн. Экспериментально подтвердить эффект Доплера для звука и света удалось позднее.

Выше мы рассмотрели пример Эффект Доплера для звуковых волн. Однако эффект Доплера справедлив не только для звука. Различают:

  • Акустический эффект Доплера;
  • Оптический эффект Доплера;
  • Эффект Доплера для электромагнитных волн;
  • Релятивистский эффект Доплера.

Именно эксперименты со звуковыми волнами помогли дать первое экспериментальное подтверждение этому эффекту.

Экспериментальное подтверждение эффекта Доплера

Подтверждением правильности рассуждений Кристиана Доплера связано с одним из интересных и необычных физических экспериментов. В 1845 году метеоролог из Голландии Христиан Баллот взял мощный локомотив и оркестр, состоящий из музыкантов с абсолютным слухом. Часть музыкантов – это были трубачи – ехали на открытой площадке поезда и постоянно тянули одну и ту же ноту. Допустим, это была ля второй октавы.

Другие музыканты находились на станции и слушали, что играют их коллеги. Абсолютный слух всех участников эксперимента сводил вероятность ошибки к минимуму. Эксперимент длился два дня, все устали, было сожжено много угля, но результаты того стоили. Оказалось, что высота звука действительно зависит от относительной скорости источника или наблюдателя (слушателя).

Первые эксперименты по подтверждению эффекта ДоплераПервые эксперименты по подтверждению эффекта Доплера

Применение эффекта Доплера

Одно из наиболее широко известных применений – определение скорости движения объектов при помощи датчиков скорости. Радиосигналы, посылаемые радаром, отражаются от машин и возвращаются обратно. При этом, смещение частоты, с которой сигналы возвращаются, имеет непосредственную связь со скоростью машины. Сопоставляя скорость и изменение частоты, можно вычислять скорость.

Читайте так же:
Особенности голубиной почты: разъясняем досконально

Эффект Доплера широко применяется в медицине. На нем основано действие приборов ультразвуковой диагностики. Существует отдельная методика в УЗИ, называемая доплерографией.

Эффект Доплера также используют в оптике, акустике, радиоэлектронике, астрономии, радиолокации.

Кстати! Для наших читателей сейчас действует скидка 10% на любой вид работы

Открытие эффекта Доплера сыграло важную роль в ходе становления современной физики. Одно из подтверждений теории Большого взрыва основывается на этом эффекте. Как связаны эффект Доплера и Большой взрыв? Согласно теории Большого взрыва, Вселенная расширяется.

При наблюдении удаленных галактик наблюдается красное смещение – сдвиг спектральных линий в красную сторону спектра. Объясняя красное смещение при помощи эффекта Доплера, можно сделать вывод, согласующийся с теорией: галактики удаляются друг от друга, Вселенная расширяется.

Красное и синее смещение при приближении и отдалении объектовКрасное и синее смещение при приближении и отдалении объектов

Формула для эффекта Доплера

Когда теорию эффекта Доплера подвергали критике, одним из аргументов оппонентов ученого был факт, что теория помещалась всего на восьми листах, а вывод формулы эффекта Доплера не содержал громоздких математических выкладок. На наш взгляд, это только плюс!

Пусть u – скорость приемника относительно среды, v – скорость источника волн относительно среды, с — скорость распространения волн в среде, w0 — частота волн источника. Тогда формула эффекта Доплера в самом общем случае будет выглядеть так:

эффект доплера вывод формулы

Здесь w – частота, которую будет фиксировать приемник.

Релятивистский эффект Доплера

В отличие от классического эффекта Доплера при распространении электромагнитных волн в вакууме для расчета эффекта Доплера следует применять СТО и учитывать релятивистское замедление времени. Пусть света – с, v – скорость источника относительно приемника, тета – угол между направлением на источник и вектором скорости, связанным с системой отсчета приемника. Тогда формула для релятивистского эффекта Доплера будет иметь вид:

эффект доплера вывод формулы

Сегодня мы рассказали о важнейшем эффекте нашего мира – эффекте Доплера. Хотите научиться решать задачи на эффект Доплера быстро и легко? Спросите у специалистов студенческого сервиса, и они охотно поделятся своим опытом! А в конце — еще немного про теорию Большого взрыва и эффект Доплера.

Эффект Доплера – описание, фото и видео

Эффект Доплера

Силы и частицы

Представьте себе, что вы шофер машины «скорая помощь» и вам приходится на большой скорости ехать по заполненным машинами улицам большого города. Вы включаете сирену, которая начинает свой упрямый ровный рев, и по дороге к больнице проезжаете мимо толпы людей на тротуарах. Теперь представьте себе, что вы один из толпы на тротуаре. Вы стоите у перехода и ждете момента, когда можно будет перейти улицу. Но сначала надо пропустить мчащуюся «скорую».

Эффект Доплера

Эффект Доплера

Рев ее сирены слышен издалека. Но странное дело, чем ближе подъезжает автомобиль с красным крестом, тем выше становится звук сирены. Когда машина начинает удаляться, то же самое повторяется, но наоборот. По мере удаления машины звук сирены становится все ниже и ниже, пока совсем не исчезнет. При этом водитель «скорой» не замечает никаких изменений. Для него качество звука не меняется.

Читайте так же:
Мы то, что мы едим, продукты, меняющие запах нашего тела

Кристиан Доплер - открыл эффект названный в его честь

Кристиан Доплер – открыл эффект названный в его честь

А вот сторонний наблюдатель слышит, как нарастает высота звука и как затем тональность по мере удаления падает. Звуковые волны распространяются в воздухе так же, как морские волны по поверхности воды.

Так что же происходит на самом деле. Кто правильно слышит? Водитель или пешеход? Меняется ли тональность звучания сирены? Правы оба. Точнее, никто не ошибается: и водитель и пешеход слышат именно то, что они и должны слышать. Разница в восприятии происходит из – за эффекта Доплера. То, что мы слышим как звук, это в действительности волны, распространяющиеся в воздухе.

Эффект Доплера

Эффект Доплера

Сирена заставляет колебаться молекулы воздуха. Звуковые волны распространяются в воздухе так же, как морские волны по поверхности воды. Волна — это область разрежения, которая затем становится областью сжатия. Процесс повторяется много раз в одну секунду и распространяется. Это и есть звуковая волна. Чем ближе находятся друг к другу одинаковые участки волн, тем выше звук, то есть тем больше его частота.

Эффект Доплера - формула

Эффект Доплера – формула

В нашем случае при приближении «скорой» волны звука становятся ближе друг к другу для пешехода, потому что скорости перемещения машины и звука складываются. Чем меньше расстояние между звуковыми волнами, тем выше частота и тем выше звуковой тон. При удалении машины расстояние между волнами по мере удаления становится все больше, то есть частота по степенно уменьшается и звук становится ниже. Люди, находящиеся в машине, и источник звука неподвижны относительно друг друга. Поэтому никаких изменений тональности не происходит. Чтобы стали слышны изменения тональности, слушатель и источник звука должны перемещаться относительно друг друга.

Эффект Доплера не только у звуковых волн

Эффект Доплера у света

Эффект Доплера у света

Возьмем для примера световые волны. Если бы на машине «скорая помощь» вместо сирены был установлен фонарь желтого цвета, то при сближении с наблюдателем спектр фонаря смещался бы в синюю сторону, а при удалении — в красную. При обычных окружающих нас явлениях скорости смещения относительно невысоки, поэтому мы не замечаем изменений спектра света. Но если бы скорость перемещения машины «скорая помощь» приближалась к скорости света или была бы сопоставима с ней, то мы заметили бы искомые изменения.

Частота — это число гребней волн, прошедших через определенную точку в течение одной секунды. Чем выше частота, тем выше тональность звука или тем более синим, становится свет. Водитель в этом случае видел бы постоянно падающий на дорогу желтый свет. Но движущаяся машина спрессовывала бы волны перед собой и наблюдатели, неподвижные во время приближения к ним источника света, видели бы смещение спектра света в высокочастотную синюю сторону. По мере удаления машины наблюдатель бы отметил возвращение цвета фонаря от синего к желтому. Постепенно этот цвет перешел бы в красный, исчезая за горизонтом.

Эффект Доплера – интересное видео

Если Вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

Гид по эффектам: эффект Доплера простыми словами

Рассказываем, почему движущийся источник звука звучит не так, как неподвижный.

Эффект Доплера простыми словами

Направляющийся к нам звук кажется выше, чем есть на самом деле. В то же время удаляющийся от на сигнал слышится ниже. Такое необычное искажение восприятия звука мы встречаем каждый день. Объясняем, что такое эффект Доплера простыми словами и рассказываем, как он применяется в музыке.

Читайте так же:
Невероятно интересные факты о бегемотах: рассказываем все нюансы

Удивительный эффект: один и тот же звук звучит по-разному для стоящего на месте и бегущего вперёд человека. Представьте, что вы стоите рядом с падающим деревом, а ваш друг бежит к месту падения. Треск дерева будет звучать для вас ниже, чем для длинноного товарища. Причина искажения восприятия звука для двух людей — эффект Доплера, феномен, открытый австрийским физиком Кристианом Доплером в середине XIX века.

Эффект Доплера вряд ли проявится во время записи в студии, однако мы постоянно сталкиваемся с ним, когда работаем со звуком на сцене клуба или открытой площадки. Перемещение относительно источника звука всегда приводит к искажению сигналов — об этом важно помнить при настройке оборудования.

Что такое эффект Доплера?

Действие эффекта Доплера встречается нам ежедневно. Например, когда мимо нас проезжает сигналящая машина, звук сигнала сначала кажется высоким, а затем становится низким. Когда звук движется в нашу сторону, он кажется выше, чем есть на самом деле. Когда сигнал удаляется от нас, то слух воспринимает его ниже.

Чтобы понять, как работает эффект Доплера, взглянем на синусоидальную звуковую волну:

Расстояние между пиками (вершинами или гребнями) показывает длину звуковой волны. Разделив скорость волны на её длину, мы получим частоту звука — количество времени, проходящего между пиками. Чем выше частота, то есть чем чаще колебания волны и количество изгибов в ней, тем более высокий звуковой сигнал мы слышим.

Длина звуковой волны

Представьте сигналящую машину, направляющуюся в вашу сторону. Из-за движения автомобиля каждый следующий пик звуковой волны располагается всё ближе к вам, что создаёт иллюзию очень близкого расположения пиков друг к другу. Как итог, слуху кажется, что звуковая волна колеблется очень быстро — сигнал слышится очень высоким.

Когда автомобиль проезжает мимо, иллюзия запускается в обратную сторону. Отдаление от нас создаёт впечатление увеличения расстояния между пиками. Такое искусственное удлинение звуковой волны обманывает слух, который воспринимает звук значительно ниже.

Эффект Доплера при приближении источника звука Эффект Доплера при удалении источника звука

Вращающийся динамик

В 1930-х годах изобретатель Дональд Лесли, работавший в компании по продаже и ремонту электронных органов Хаммонда, искал способ обогатить звучание инструмента. Лесли считал, что при всех достоинствах электрооргана он проигрывает обычному органу из-за особенностей звучания. Лесли был уверен: орган распространяет звук во все стороны, из-за чего звучит намного живее, объёмнее и интереснее.

Постепенно изобретатель пришёл к идее Rotary Speaker — вращающегося динамика. В один из дней мужчина обнаружил интересный эффект: при вращении динамика на малой скорости создаётся эффект хоруса, при вращении на большой скорости — эффект вибрато. Причиной такого поведения звука стали недочёты в конструкции корпуса и динамиков, но Лесли не стал устранять проблему — получившийся звук слишком нравился изобретателю.

Читайте так же:
Чем отличается лицей от школы?

Позднее Лесли обратился напрямую в Hammond и предложил им оснастить электроорганы вращающимся динамиком Лесли. Удивительно, но фирма Лоуренса Хаммонда отклонила предложение, после чего Лесли основал компанию Leslie и начал самостоятельное производство. Вращающиеся динамики Leslie позиционировались как аксессуар для различных электроорганов, расширяющий его звуковые возможности.

Постепенно особенное звучание вращающегося динамика обрело популярность в музыкальной индустрии, а сам эффект стали называть в честь изобретателя — Leslie. При этом, несмотря на открытия Лесли, в основе его открытия лежит всё тот же эффект Доплера: когда динамик отворачивается от нас, нам кажется, что звуковая волна удлиняется, когда динамик поворачивается к нам — мы слышим иллюзию короткой звуковой волны.

Вращающийся вентилятор

В быту эффект Доплера можно встретить, если сесть под вращающийся потолочный вентилятор и начать играть на гитаре или петь. При отражении сигнала от вращающихся лопастей звук начнёт менять высоту.

Попытки настроить инструмент под вентилятором не увенчаются успехом — отражённые и оригинальные звуковые волны столкнутся в пространстве, что исказит восприятие звука. Поэтому настраиваться в жаркий день, стоя под вентилятором, нужно только с помощью тюнера.

Эффект Доплера в музыке

Ряд музыкантов и композиторов использовали эффект Доплера в своём творчестве. Среди ярких примеров — 22-минутная синтезаторная сюита Kraftwerk «Autobahn». На отметке 3:17 в композиции появляется синтезаторный эффект, имитирующий проносящиеся по автобану машины.

Похожий звук немецкие электронщики также использовали в композиции «Trans-Europe Express».

Музыкальный экспериментатор Джони Воид превратил звук сирены скорой помощи в мелодию для своей композиции «Doppler». Эффект также можно встретить в творчестве Джими Хендрикса, The Beatles, Queen и Pink Floyd — эти группы имитировали Доплера с помощью уже упомянутого эффекта вращающегося динамика.

Эффект Доплера — суть, формула и применение явления

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.

Кристиан Допплер

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.

Эффект Доплера

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

Читайте так же:
Почему у жирафа длинная шея? Описание, фото и видео

Эффект Доплера формула

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.

Эффект Доплера

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.

Эффект Доплера в физике

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.

Эффект Доплера в астрономии

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 в охранных извещателях

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.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию