大学物理之多普勒效应.pptx

斯琴约翰多普勒（Christian Johann Doppler）1803年年11月月29日日，多普勒出生于奥地利奥地利的萨尔茨堡(Salzburg)。1822 年年他开始在维也纳工学院维也纳工学院学习，他在数学方面显示出超常的水平。1825 年年多普勒以优异的成绩毕业。在这之后他又去维也纳大学学习了高等数学，力学和天文学。1829 年年在维也纳大学学习结束的时候，他被任命为高等数学和力学教授助理，他在大学四年期间发表了四篇数学论文。1841年年，他正式成为理工学院的数学教授。1842年年，他在文章On the Colored Light ofDoubleStars提出“多普勒效应多普勒效应”Doppler Effect)，因而闻名于世。1850年年，他获委任为维也纳大学物理学院的第一任院长，可惜的是三年后他便在在意大利威尼斯去世，年仅四十九岁。第第1 1页页/共共1010页页多普勒效应的发现多普勒效应的发现1842年奥地利一位名叫多普勒的数学家、物理学家。一天，他正路过铁路交叉处，恰逢一列火车从他身旁驰过，他发现火车从远而近时汽笛声火车从远而近时汽笛声变响，音调变尖，而火车从近而远时变响，音调变尖，而火车从近而远时汽笛声变弱，音调变低汽笛声变弱，音调变低。他对这个物理现象感到极大兴趣，并进行了研究。发现这是由于振源与发现这是由于振源与观察者之间存在着相对运动，使观察观察者之间存在着相对运动，使观察者听到的声音频率不同于振源频率的者听到的声音频率不同于振源频率的现象现象。这就是频移频移现象。因为，声源相对于观测者在运动时，观测者所听到的声音会发生变化。当声源离观测者而去时，声波的波长当声源离观测者而去时，声波的波长增加，音调变得低沉，当声源接近观增加，音调变得低沉，当声源接近观测者时，声波的波长减小，音调就变测者时，声波的波长减小，音调就变高高。音调的变化同声源与观测者间的相对速度和声速的比值有关。这一比值越大，改变就越显著，后人把它称为“多普勒效应多普勒效应”。第第2 2页页/共共1010页页多普勒推导出当波源和观察者有相对运动时，观当波源和观察者有相对运动时，观察者接收到的波频会改变察者接收到的波频会改变。他试图用这个原理来解释双星的颜色变化双星的颜色变化。虽然多普勒误将光波当作纵波，但多普勒效应这个结论却是正确的。多普勒效应对双星的颜色只有些微的影响，在那个时代，根本没有仪器能够量度出那些变化。不过，从1845年开始，便有人利用声波来进行实验。他们让一些乐手在火车上奏出乐音，请另一些乐手在月台上写下火车逐渐接近和离开时听到的音高。实验结果支持多普勒效应的存在。第第3 3页页/共共1010页页 物体辐射的波长因为波源和观测者的相对波源和观测者的相对运动而产生变化运动而产生变化。在运动的波源前面前面，波被压缩压缩，波长波长变得较短较短，频率频率变得较高较高（蓝移blue shift）；当运动在波源后面后面时，会产生相相反反的效应。波长波长变得较长较长，频率频率变得较低较低（红移red shift）。波源的速度越高速度越高，所产生的效应越大效应越大。根据波红（蓝）移的程度，可以计算出波源循着观测方向运动的速度。所有波动现象都存在多普勒效应。所有波动现象都存在多普勒效应。简介简介第第4 4页页/共共1010页页多普勒效应的原理多普勒效应的原理多普勒效应指出，波在波源移向观察者时接收频率变高，而在波波在波源移向观察者时接收频率变高，而在波源远离观察者时接收频率变低。当观察者移动时也能得到同样的源远离观察者时接收频率变低。当观察者移动时也能得到同样的结论。结论。但是由于缺少实验设备，多普勒当时没有用实验验证。产生原因：产生原因：声源完成一次全振动，声源完成一次全振动，向外发出一个波长的波，频率表示单向外发出一个波长的波，频率表示单位时间内位时间内 完成的全振动的次数，因完成的全振动的次数，因此波源的频率等于单位时间内波源发此波源的频率等于单位时间内波源发出的完全波的个数，而观察者听到出的完全波的个数，而观察者听到的声音的音调，是由观察者接受到的的声音的音调，是由观察者接受到的频率，即单位时间接收到的完全波频率，即单位时间接收到的完全波的个数的个数 决定的。当波源和观察者有相决定的。当波源和观察者有相对运动时，观察者接收到的频率会对运动时，观察者接收到的频率会改变。在单位时间内，观察者接收到改变。在单位时间内，观察者接收到的完全波的个数增多，即接收到的的完全波的个数增多，即接收到的频率增大。同样的道理，当观察者远频率增大。同样的道理，当观察者远离离 波源，观察者在单位时间内接收波源，观察者在单位时间内接收到的完全波的个数减少，即接收到的到的完全波的个数减少，即接收到的频率减小。频率减小。第第5 5页页/共共1010页页电磁波中的多普勒效应电磁波中的多普勒效应科学家爱德文爱德文哈勃哈勃（EdwinHubble）使用多普勒效应得出宇宙正在膨胀宇宙正在膨胀的结论。他发现远离银河系的天体发射的光线频率变低,即移向光谱的红端，称为红移红移并且天体远离银河系的速度越快，红移越大。反之，如果天体正移向银河系，则光线会发生蓝移蓝移。在移动通信中，当移动台移向基站时，频率变高，远离基站时，频率变低，所以我们在移动通信中要充分考虑多普勒效应。当然，由于日常生活中，我们移动速度的局限，不可能会带来十分大的频率偏移，但是这不可否认地会给移动通信带来影响，为了避免这种影响造成我们通信中的问题，我们不得不在技术上加以各种考虑，也加大了移动通信的复杂性。第第6 6页页/共共1010页页光波中的多普勒效应光波中的多普勒效应具有波动性的光也会出现这种效应，它又被称多普勒多普勒-斐索效应斐索效应。法国物理学家斐索斐索（18191896年）于18481848年年独立地对来自恒星的波波长偏移长偏移做了解释，指出了利用这种效应测量恒星相对速度的办法。光波与声波的不同之处在于，光波频率的变化使人感觉到是颜色的变化颜色的变化。如果恒星远离远离我们而去，则光的谱线就向红光的谱线就向红光方向移动光方向移动，称为红移红移；如果恒星朝朝向向我们运动，光的谱线就向紫光紫光方向移动，称为蓝移蓝移。向左行向左行进的波进的波向右行向右行进的波进的波第第7 7页页/共共1010页页多普勒效应的应用多普勒效应的应用 医学应用医学应用 超声频移诊断法超声频移诊断法，即D超，此法应用多普勒效应原理，当声源与接收体（即探头和当声源与接收体（即探头和反射体）之间有相对运动时，回声的频率有反射体）之间有相对运动时，回声的频率有所改变，此种频率的变化称之为频移，所改变，此种频率的变化称之为频移，D超包括脉冲多普勒脉冲多普勒、连续多普勒连续多普勒和彩色多普勒彩色多普勒血流图像。彩色多普勒超声彩色多普勒超声一般是用自相关技术进行多普勒信号处理，把自相关技术获得的血流信号经彩色编码后实时地叠加在二维图像上，即形成彩色多普勒超声血流图像。由此可见，彩色多普勒超声（即彩超）既具有二维超声结构图像的优点，又同时提供了血流动力学的丰富信息，实际应用受到了广泛的重视和欢迎，在临床上被誉为“非创伤性血管造影非创伤性血管造影”。第第8 8页页/共共1010页页多普勒雷达多普勒雷达当雷达发射一固定频率的脉冲波对空扫描时，如遇到活动目标，回波的回波的频率与发射波的频率出现频率差，称频率与发射波的频率出现频率差，称为多普勒频率为多普勒频率。根据多普勒频率的大小多普勒频率的大小，可测出目标对雷达的径向相对运动速度径向相对运动速度；根据发射脉冲和接收的时间差时间差，可以测出目标的距离距离。同时用频率过滤频率过滤方法检测目标的多普勒频率谱线，滤除干扰杂波的谱线，可使雷达从强杂波中分辨出目标信号。所以脉冲多普勒雷达比普通雷达的抗杂波干扰能力强，能探测出隐蔽在背景中的活动目标。多普勒雷达多普勒雷达多普勒雷达多普勒雷达第第9 9页页/共共1010页页交通应用交通应用交警向行进中的车辆发射频率已知的超声波同时测量反射波的频率，根据反射波的频率变化的多少就能知道车辆的速度。装有多普勒测速仪的监视器有时就装在路的上方，在测速的同时把车辆牌号拍摄下来，并把测得的速度自动打印在照片上。注：注：激光多普勒测速仪激光多普勒测速仪 激光多普勒测速仪激光多普勒测速仪(Laser Doppler Anemometry,LDA)(Laser Doppler Anemometry,LDA)是激是激光多普勒测速仪测量通过激光探头的示踪粒子的多普勒信号，光多普勒测速仪测量通过激光探头的示踪粒子的多普勒信号，再根据速度与多普勒频率的关系得到速度。再根据速度与多普勒频率的关系得到速度。由于是激光测量，对于流场没有干扰，测速范围宽，而且由于多普勒频率与速度是线性关系，和该点的温度，压力没有关系，是目前世界上速度测量精度最高的仪器。第第1010页页/共共1010页页