Dopplereffektligning. Grunnundersøkelser. Observasjon av dopplereffekten

Dopplereffekten er en endring i frekvens og bølgelengde (den registreres av mottakeren), generert av bevegelser av både bølgekilden og mottakeren. Dessuten er bevegelsen til mediet der bølgene beveger seg ikke assosiert med denne bevegelsen, og bølgehastigheten avhenger av egenskapene til dette miljøet. Selve bølgekilden kan ikke lenger påvirke bølgenes videre oppførsel.

Den vikende kilden vil ha en spektral rødforskyvning, og dens bølgelengde vil øke.

De viktigste bølgekarakteristikkene er frekvens og bølgelengde. Frekvens er antall bølgetopper som oppstår ved et observasjonspunkt per sekund. Lengden på en bølge er avstanden mellom dens "topp" eller "bunner". Disse to egenskapene er forbundet med hastigheten som bølger forplanter seg i et hvilket som helst medium. Prinsippet for fenomenet er enkelt: Hvis bølgekilden og observatøren beveger seg i forhold til hverandre, vil frekvensen til signalet observatøren oppfatter endres. Den øker enten (tilnærming til kilden) eller avtar (fjerning av kilden). Dette frekvensskiftet står i direkte proporsjon med hastigheten til kilden som beveger seg i forhold til observatøren.

I 1842 var østerrikeren Christian Doppler i stand til å etablere og underbygge avhengigheten av oscillasjonsfrekvensen, som er estimert av observatøren, av hastigheten og bevegelsesretningen til bølgekilden. De grunnleggende prinsippene for å måle mange parametere for romobjekter er basert på dette fenomenet.

Lovens universalitet

Fra praktisk forskning er det klart at Doppler-effekten gjelder for alle typer bølger, spesielt lydbølger. Dette bekreftes enkelt av eksemplet med en bil i bevegelse med en fungerende sirene. Når du nærmer deg, forsterkes lyden fra sirenen (minkende bølgelengde), og når du beveger deg bort vil styrken til sirenelyden avta (økende bølgelengde). Den samme regelen gjelder for lys og elektromagnetisk stråling generelt. Når lyskilden nærmer seg observatøren, vil den observerte bølgelengden bli kortere, og lyset vil ha spektrale nyanser i fiolette toner.

Dopplereffekt i astronomi

Dopplers oppdagelse brukes i analyse av romobjekter. Når du observerer spekteret gjennom prismet til et spektrometer, kan du se de karakteristiske linjene til de kjemiske elementene i studieobjektet. Dette er nøyaktig hva Hubble la merke til. Etter å ha lagt merke til galaksene han studerte i spekteret av atomstråling, konkluderte han med at disse galaksene var på vei bort.

Jo lenger unna objektene er fra oss, desto større blir skiftet til den røde siden av spekteret.

Dermed blir det klart at Doppler-effekten er en klar indikator på det ekspanderende universet. Hvis Doppler visste , ville han selv kunne beregne avstandene til galakser.

Dopplermetode for å oppdage eksoplaneter

Ellers kalles denne metoden spektrometrisk måling av den radielle hastigheten til stjerner. Det er den mest brukte for søk, og effektiviteten av bruken er ekstremt høy.

Doppler-metoden lar deg oppdage planeter med masse flere ganger jordens masse som befinner seg nær stjernen deres.

Og du kan også "se" gigantiske planeter med omløpsperioder på opptil 10 år. Når planeten beveger seg rundt stjernen sin, svinger den, noe som forårsaker et dopplerskifte i stjernespekteret. Ved å bruke denne metoden bestemmes amplituden til radielle hastighetssvingninger mellom en stjerne og en enkelt planet. Ved å bruke Doppler-metoden var det ved utgangen av 2012 mulig å oppdage 488 planeter i 379 planetsystemer.

Bruk på andre områder

Oppdagelsen har funnet anvendelse på forskjellige felt:

• Doppler radar. Denne enheten oppdager frekvensendringer i signalet som reflekteres fra objektet. Ved å endre denne parameteren kan du måle hastigheten til et objekt. Slike radarer gjør det mulig å bestemme hastigheten til biler og fly, skip og vannstrømmer.
• Strømningshastighetsmålinger. Dopplereffekten er grunnlaget for metoden for å måle hastigheten på strømmer av væsker og gasser. Dette er mulig uten å plassere sensoren direkte i selve strømmen. Hastigheten bestemmes av bølgespredning.
• Søknad i medisinsk forskning. Dopplereffekten er ganske utbredt i medisin. Obstetriske undersøkelser er spesielt vellykkede, og hjelper til med å overvåke utviklingen av svangerskapet. Prinsippet for denne effekten brukes også til å diagnostisere blodstrømegenskaper.
• En teknikk som bruker ultralyd basert på Doppler-effekten kalles Dopplerografi. Dens essens er at objekter i bevegelse reflekterer ultralydbølger med en endret frekvens.

Doppler-prinsippet er uunnværlig hvis det er nødvendig å bestemme hastigheten på objekter, for eksempel:

• Bevegelsesdetektorer i ulike sikkerhetssystemer;
• Navigasjon på undervannsfartøyer;
• Måling av styrken til vindstrømmer;
• Bestemmelse av skybevegelseshastigheter.

Et utrolig faktum er at Doppler-effekten fungerer stabilt ved gigantiske frekvenssvingninger, men ved små (mm/sek) kildehastigheter.

1

Yushkevich R.S., Degtyareva E.R.

Artikkelen gir en utledning av formler for Doppler-effekten uten å bruke loven om addisjon av hastigheter, men ved å bruke prinsippet om konstant lyshastighet kun i forhold til lyskilden. Den romlige grensen for muligheten for å motta elektromagnetiske bølger er bestemt. Lyshastighetens avhengighet av avstand vurderes. Koeffisienten for beregning av lyshastigheten bestemmes.

For å forklare effekten, antar vi at lyset som kommer fra lyskilden er koblet til kilden og forplanter seg fra den med en hastighet s = 3 10 8 m/s i forhold til kilden. For mottakeren vil lyshastigheten i forhold til kilden bli lagt til kildens hastighet v.

For å bestemme lysets frekvensavhengighet ν fra fart v, vurder forplantningen av lys fra to kilder, hvorav den ene Ѕ beveger seg bort fra mottakeren med en hastighet v, og den andre S 0 hviler.

Ris. 1.

Identiske kilder sender ut lys med samme frekvens ν 0 . Lys beveger seg med samme hastighet i forhold til kildene Med, derfor den utsendte bølgelengden λ 0 vil være det samme. Lys vil nærme seg mottakeren fra en bevegelig kilde med en hastighet Med-v og bølgelengde λ 0 vil bli akseptert i tide T =(punktum), og fra en stasjonær kilde - i tid T 0 =. Perioder er de gjensidige mengdene til oscillasjonsfrekvensene og . La oss erstatte verdiene T Og T 0 inn i de resulterende likestillingene

å dele dem begrep for begrep, får vi

,

vi får [s. 181].

(1)

I tilfelle når kilden og mottakeren nærmer seg, trenger du et skilt v erstatte med det motsatte, får vi . Noter det Med-v Og c er lyshastighetene i forhold til henholdsvis mottakeren og lyskilden.

Vurder nå tilfellet når lyskilden beveger seg vinkelrett på retningen til mottakeren. Tatt i betraktning at lys er assosiert med en kilde, forplanter det seg i forhold til den med en hastighet Med og bærer ham med fart v for at den skal treffe mottakeren må den rettes i en viss vinkel α Så sinα= . I dette tilfellet faller komponenten av lyshastigheten sammen med retningen til mottakeren EN vil være , er komponenten v i denne retningen lik 0. For ikke å gjenta det forrige resonnementet bruker vi formel (1), Med-v La oss erstatte det med , og hastigheten c i forhold til kilden vil forbli uendret. Som et resultat får vi:

som tilsvarer resultatet oppnådd i eksperimentene til Ives [s. 181].

Ris. 2.

Når lys går fra en kilde til en mottaker, endres frekvensen fra ν 0 før ν. Fra formelen с=λν det følger at bølgelengden også må endres. Hvis en bølge med lengde kom fra en lyskilde λ 0 , da vil mottakeren motta det annerledes, si λ . Få verdi λ det er mulig ved å utnytte det faktum at λ Og ν mengder er omvendt proporsjonale . Erstatter verdien ν fra formelen (1), vi får

For å være tryggere får vi denne formelen på en annen måte.

Enhver lysmottaker kan også være en emitter, som betyr at den har samme lysbærende medium som kilden, og lys forplanter seg i den med hastighet Med. Lys, som går fra kildemediet til mottakermediet, øker hastigheten Med i forhold til mottakeren.

Bølgelengde λ 0 fra kilden til grensesnittet mellom kilden og mottakermediet nærmer seg med en hastighet Med -v og grensen vil passere i tid C helt fra begynnelsen av bølgens inntreden i sfæren til mottakerens medium, dens begynnelse får hastighet c i forhold til mottakeren og med tiden T vil den reise avstanden λ = cT. Erstatter verdien T, vi får:

Ris. 3.

I første halvdel av det tjuende århundre. Den amerikanske forskeren Hubble oppdaget i spektrene til fjerne stjerner en forskyvning av spektrallinjer mot den røde delen av spekteret sammenlignet med laboratoriespektre - "rødt skift". Dette betydde at den mottatte bølgelengden λ er større enn λ 0 og jo lenger stjernen er, desto større er "rødforskyvningen".

Inn i formelen (2) inkluderer fire mengder λ, λ0, s Og v. Da det "røde skiftet" ble oppdaget, var lyshastigheten med Einsteins postulat fast konstant i forhold til enhver referanseramme, noe som betyr λ 0 , assosiert med lyshastigheten c og strålingskilden, viste seg å være konstant. I formelen (2) variabel mengde λ , viste seg å være relatert til kildens hastighet v. Øke λ forårsaker en økning v.

"Rødforskyvning" er observert i stjerner plassert i alle retninger, så utvidelsen av universet ble gjenkjent.

I astronomi er sammenhengen mellom λ Og v bestemt av en annen formel

(3)

for en vikende strålekilde.

For det samme fenomenet og de samme mengdene etableres to formler annen avhengighet! For å forstå dette, la oss sammenligne resultatene som disse formlene gir for forskjellige v. Begrensninger på hastighetsverdien v ingen formel nødvendig. For enkelhets skyld angir vi bølgelengdene λ 3 Og λ 2 i henhold til betegnelsen på formlene (3) og ( 2 ) der de er inkludert. På v=0 :

På 0< v< с sammenligne etter divisjon:

Hvis v"Med, deretter λ 3 ≈ λ 2. Under disse to forholdene er resultatene praktisk talt konsistente med hverandre.

Når v = c; λ 2 blir til uendelig, mens formel (1) gir . Det viser seg at lysbølgen ikke når mottakeren fra kilden, den beveger seg med en hastighet Med vil bevege seg fra kilden til mottakeren og vil sammen med kilden bevege seg bort fra den med samme hastighet c - c = 0.

Den tredje sammenligningen krever at man konkluderer med hvilken formel som riktig gjenspeiler virkeligheten. Opprinnelsen til formelen (2) diskutert i begynnelsen av artikkelen. La oss nå se på hvordan formelen oppnås (3).

Ris. 4.

La oss forestille oss at lyskilden er omgitt av et medium der lyset forplanter seg til mottakeren med en hastighet Med. Lyskilde på et punkt EN begynte å avgi en bølge. La oss betegne utslippstiden for en bølge T(periode). Fra det øyeblikket bølgen begynner å dukke opp, begynner den å bevege seg mot mottakeren i omgivelsene med en hastighet Med og for tiden T vil bevege seg bort fra punktet EN til en avstand st. Men i løpet av denne samme tiden vil kilden, som beveger seg fra mottakeren, ende opp på punktet MED, etter å ha tilbakelagt distansen AC =vT, hvor slutten av bølgen vil være. Avstand fra MED til B og vil være bølgelengden λ = сТ +vT = (c +v)T

Hvis kilden ikke beveger seg, da v = 0 og bølgelengden vil være λ 0 = cT. Ved å dele λ på λ 0 får vi:

I begynnelsen av artikkelen så vi på mediet som gir lyshastigheten c; det er enten koblet til kilden eller til mottakeren av lys. Den første gir formlene (1) og (2). Sannsynligheten for at den andre, fra en fjern lysmottaker, påvirket lyshastigheten mer enn miljøet til lyskilden er ubetydelig. Det gjenstår et medium, ikke forbundet med verken lyskilden eller mottakeren, som virker som luft (materie) på forplantningen av lyd. Men det negative resultatet av Michelsons eksperimenter for å oppdage den "eteriske vinden" beviste at et slikt medium ikke eksisterer i naturen. Det gjenstår å gi preferanse til formel (2). Det ble tidligere bemerket at når lyskilden beveger seg bort med en hastighet v = c, vil bølgen ikke nå mottakeren og signalet vil ikke bli mottatt.

Hubble introduserte loven som bærer hans navn [s. 120]

v= HD,

der v er hastigheten for fjerning av lyskilden, D er avstanden mellom kilden og mottakeren, H er proporsjonalitetskoeffisienten, kalt Hubble-konstanten.

.

1 Mpc = 106 stk; 1 stk (parsec) = 3,26 lysår = 3. 10 13 km.

La oss finne avstanden der v = c: ;

D- dette er radiusen til sfæren som begrenser mottaket av direkte elektromagnetisk stråling fra universets vidstrakter. Fra sonene som grenser til denne sfæren i dens indre del, kan elektromagnetisk stråling bare komme i form av radiobølger. I naturen er det ingen prioritert retning i fordelingen av stjerner, så radioutslipp må komme jevnt fra alle retninger.

La oss vurdere alternativet når v>s. I dette tilfellet gir formlene (1) og (2): Og .

Dette betyr at bølgen må komme fra motsatt retning av der emitteren befinner seg.

På v= 2s vi har

.

Bølgen kommer uten et "rødt skift". Grensen for mulig mottak av elektromagnetisk stråling definert i artikkelen vil være korrekt hvis Hubbles lov er sann og det "røde skiftet" er forårsaket utelukkende av fjerning av senderen. Hvis det oppdages andre faktorer som reduserer lyshastigheten i forhold til mottakeren (og de kan eksistere), så kan bølgemottaksgrensen nærmes.

La oss nå gå til formlene (1) Og (2). I dem CV er lyshastigheten i forhold til mottakeren, la oss betegne det ci = c-v hvor v=c-c 1.I formler v representerer forskjellen i lysets hastighet, uavhengig av arten av dets forekomst. Det er generelt akseptert at dette er resultatet av å fjerne lyskilden. Men denne hastighetsforskjellen kan også oppstå på grunn av reduksjonen i lysets hastighet med økende avstand. Lys er en strøm av energikvanter og det er mulig at hastigheten kan reduseres.

La oss anta at lysets hastighet avtar med økende avstand fra lyskilden, billedlig talt «lys eldes».

Det er kjent at lyshastigheten avtar når man går fra et optisk mindre tett medium til et mer tett medium. Dette skyldes det faktum at betingelsene for passasje av lys endres. Nedgangen i hastighet er preget av brytningsindeksen n;, Hvor Med- lysets hastighet i vakuum a fra 1- fart i et annet miljø.

Hvis lyshastigheten ved å anta synker med økende avstand fra lyskilden, endres også betingelsene for dens passasje, noe som også kan karakteriseres av brytningsindeksen n. Vi finner at den reduserte lyshastigheten vil være .

I artikkelen «Fizeau's Experience» (tidsskriftet «Modern Science-Intensive Technologies» nr. 2, 2007) for å bestemme lysets hastighet i et bevegelig medium, brytningsindeksen n ble brukt i skjemaet , hvor en del av indikatoren bestemmes av det emitterende atomet, og bestemmes av betingelsene for passasje av lys i mediet.

La oss bruke denne representasjonen av brytningsindeksen for vakuum. Hvis vi aksepterte antakelsen om at lysets hastighet avtar i et vakuum, og vakuum er et homogent medium, bør nedgangen i lysets hastighet bare avhenge av avstanden og er proporsjonal med den. Derfor kan vi skrive hvor D- avstand til lyskilde, μ - proporsjonalitetskoeffisient er en konstant verdi. Hastigheten til det mottatte lyset vil være

Forskjellen mellom den innledende og reduserte lyshastigheten vil være

Dette uttrykker forholdet mellom reduksjonen i lysets hastighet og avstanden D. Forbindelsen mellom de samme mengdene er uttrykt av Hubbles lov hvor v- hastigheten for fjerning av stjernen, som er for lysmottakeren forskjell s-s 1 .

La oss sammenligne verdiene v, som disse to ligningene gir for avstandsgrensene D.

Hvis , så får vi fra den første ligningen: , n=1 (for korte avstander) og . Fra Hubbles lov får vi også .

Hvis denne tilfeldigheten ikke er tilfeldig, kan det antas at kvanta av lysenergi er knyttet til emitteren; dette indikeres også ved forbindelsen mellom det lysbærende mediet og lyskilden.

For å bestemme hastigheten fra 1, må vi bestemme mht n ligningen:

og finn hastigheten gjennom n fra 1.

For små verdier av D kan Hubbles lov brukes.

Det er en klar motsetning i artikkelen. Basert på konseptet om universets utvidelse, ble det konkludert med at det er en grense for mulig mottak av elektromagnetiske bølger, men basert på den naturlige reduksjonen i lysets hastighet er det ingen slik grense. Det viser seg at oppdagelsen av en slik grense vil være bevis på utvidelsen av universet.

Artikkelen antar også, uten overbevisende grunnlag, at lysets hastighet avhenger av avstander. Grunnlaget for denne antagelsen vil bli oppdaget når man vurderer prosessen med utslipp av lyskvanter fra et atom.

BIBLIOGRAFI:

1. Zisman G.A., Todes O.M., Kurs i generell fysikk vol.3. - M.: "Vitenskap", 1972.
2. Vorontsov - Velyaminov B.A. Astronomi 10. - M.: "Enlightenment", 1983.

Bibliografisk lenke

Yushkevich R.S., Degtyareva E.R. DOPPLEREFFEKTEN OG LYSETS HASTIGHET // Grunnforskning. – 2008. – nr. 3. – S. 17-24;
URL: http://fundamental-research.ru/ru/article/view?id=2764 (tilgangsdato: 16.02.2020). Vi gjør deg oppmerksom på magasiner utgitt av forlaget "Academy of Natural Sciences"

Det er kjent at når et raskt bevegelig elektrisk tog nærmer seg en stasjonær observatør, virker lydsignalet høyere, og når det beveger seg bort fra observatøren, virker det lavere enn signalet til det samme elektriske toget, men stasjonært.

Doppler effekten kalle endringen i frekvensen til bølger registrert av mottakeren, som oppstår på grunn av bevegelsen til kilden til disse bølgene og mottakeren.

Kilden, som beveger seg mot mottakeren, ser ut til å komprimere en fjær - en bølge (fig. 5.6).

Denne effekten observeres under forplantningen av lydbølger (akustisk effekt) og elektromagnetiske bølger (optisk effekt).

La oss vurdere flere tilfeller av manifestasjon akustisk dopplereffekt .

La mottakeren av lydbølgene P i et gassformig (eller flytende) medium være ubevegelig i forhold til den, og kilden jeg beveger meg bort fra mottakeren med en hastighet langs den rette linjen som forbinder dem (fig. 5.7, EN).

Kilden forskyves i mediet i en tid som er lik perioden med svingningene, med en avstand , hvor er oscillasjonsfrekvensen til kilden.

Derfor, når kilden beveger seg, er bølgelengden i mediet forskjellig fra verdien med en stasjonær kilde:

,

hvor er fasehastigheten til bølgen i mediet.

Bølgefrekvensen registrert av mottakeren er

(5.7.1)

Hvis kildehastighetsvektoren er rettet i en vilkårlig vinkel til radiusvektoren som forbinder den stasjonære mottakeren med kilden (fig. 5.7, b), Det

(5.7.2)

Hvis kilden er stasjonær og mottakeren nærmer seg den med en hastighet langs den rette linjen som forbinder dem (fig. 5.7, V), da er bølgelengden i mediet . Imidlertid er forplantningshastigheten til bølgen i forhold til mottakeren lik , så frekvensen til bølgen registrert av mottakeren

(5.7.3)

I tilfellet når hastigheten er rettet i en vilkårlig vinkel til radiusvektoren som forbinder den bevegelige mottakeren med en stasjonær kilde (fig. 5.7, G), vi har:

Denne formelen kan også representeres som (hvis)

,

(5.7.6)

hvor er hastigheten til bølgekilden i forhold til mottakeren, og er vinkelen mellom vektorene og . Mengden lik projeksjonen på retningen kalles radiell hastighet til kilden.

Optisk dopplereffekt

Når kilden og mottakeren av elektromagnetiske bølger beveger seg i forhold til hverandre, observeres det også Doppler effekten , dvs. endring av bølgefrekvens, registrert av mottakeren. I motsetning til Doppler-effekten vi vurderte i akustikk, kan lovene for dette fenomenet for elektromagnetiske bølger bare etableres på grunnlag av den spesielle relativitetsteorien.

Relasjonsbeskrivelse Doppler effekten Til elektromagnetiske bølger i vakuum, tatt i betraktning Lorentz-transformasjoner, har formen:

.

(5.7.7)

Ved lave bevegelseshastigheter av bølgekilden i forhold til mottakeren, faller den relativistiske formelen for dopplereffekten (5.7.7) sammen med den klassiske formelen (5.7.2).

Hvis kilden beveger seg i forhold til mottakeren langs den rette linjen som forbinder dem, så observerer vi langsgående dopplereffekt .

I tilfelle du nærmer deg kilden og mottakeren ()

,

(5.7.8)

og i tilfelle deres gjensidige fjerning ()

.

(5.7.9)

I tillegg følger den fra den relativistiske teorien om Doppler-effekten eksistensen tverrgående dopplereffekt , observert ved og , dvs. i tilfeller der kilden beveger seg vinkelrett på observasjonslinjen (for eksempel, kilden beveger seg i en sirkel, mottakeren er i sentrum):

.

(5.7.10)

Den tverrgående Doppler-effekten er uforklarlig i klassisk fysikk. Det representerer en rent relativistisk effekt.

Som man kan se av formel (5.7.10), er tverreffekten proporsjonal med forholdet, derfor er den mye svakere enn den langsgående, som er proporsjonal med (5.7.9).

I det generelle tilfellet kan den relative hastighetsvektoren dekomponeres i komponenter: den ene gir en langsgående effekt, den andre gir en tverreffekt.

Eksistensen av den tverrgående Doppler-effekten følger direkte av tidsdilatasjon i bevegelige referanserammer.

Den første eksperimentelle verifiseringen av eksistensen av Doppler-effekten og riktigheten av den relativistiske formelen (5.7.7) ble utført av amerikanske fysikere G. Ives og D. Stilwell på 30-tallet. Ved hjelp av en spektrograf studerte de strålingen fra hydrogenatomer akselerert til hastigheter på m/s. I 1938 ble resultatene publisert. Oppsummering: den tverrgående Doppler-effekten ble observert i full overensstemmelse med relativistiske frekvenstransformasjoner (emisjonsspekteret av atomer viste seg å være forskjøvet til lavfrekvensområdet); konklusjonen om tidsdilatasjon i bevegelige treghetsreferanserammer er bekreftet.

Doppler-effekten har fått bred anvendelse innen vitenskap og teknologi. Dette fenomenet spiller en spesielt viktig rolle i astrofysikk. Basert på Doppler-forskyvningen av absorpsjonslinjer i spektrene til stjerner og tåker, er det mulig å bestemme radialhastighetene til disse objektene i forhold til Jorden: ved å bruke formel (5.7.6)

.

(5.7.11)

Den amerikanske astronomen E. Hubble oppdaget i 1929 et fenomen kalt kosmologisk rødforskyvning og består i at linjene i emisjonsspektrene til ekstragalaktiske objekter forskyves mot lavere frekvenser (lengre bølgelengder). Det viste seg at for hvert objekt er den relative frekvensforskyvningen (er frekvensen til linjen i spekteret til en stasjonær kilde, er den observerte frekvensen) nøyaktig den samme for alle frekvenser. Kosmologisk rødforskyvning er ikke noe annet enn Doppler-effekten. Det indikerer at Metagalaksen utvider seg, slik at ekstragalaktiske objekter beveger seg bort fra galaksen vår.

Metagalaksen forstås som helheten av alle stjernesystemer. Med moderne teleskoper kan du observere en del av Metagalaxy, hvis optiske radius er lik . Eksistensen av dette fenomenet ble teoretisk spådd tilbake i 1922 av den sovjetiske vitenskapsmannen A.A. Friedman basert på utviklingen av den generelle relativitetsteorien.

Hubble etablerte en lov som den relative rødforskyvningen til galakser øker proporsjonalt med deres avstand .

Hubbles lov kan skrives i skjemaet

,

(5.7.12)

Hvor H– Hubble konstant. I følge de siste estimatene, utført i 2003, . (1 pc (parsec) er avstanden som lyset reiser i et vakuum på 3,27 år ( )).

I 1990 ble Hubble-romteleskopet skutt opp i bane ombord på Discovery-fergen (fig. 5.8).

Ris. 5.8	Ris. 5.9

Astronomer har lenge drømt om et teleskop som skulle operere i det synlige området, men som ville være plassert utenfor jordens atmosfære, noe som i stor grad forstyrrer observasjoner. Hubble skuffet ikke bare forhåpningene til den, men overgikk til og med nesten alle forventninger. Han utvidet på fantastisk vis menneskehetens "synsfelt" og så inn i universets ufattelige dyp. Under driften sendte romteleskopet 700 tusen praktfulle fotografier til jorden (fig. 5.9). Spesielt hjalp han astronomer med å bestemme den nøyaktige alderen til universet vårt – 13,7 milliarder år; bidro til å bekrefte eksistensen av en merkelig, men kraftig form for energi i universet - mørk energi; beviste eksistensen av supermassive sorte hull; fanget utrolig tydelig fallet til en komet på Jupiter; viste at prosessen med dannelse av planetsystemer er utbredt i vår galakse; oppdaget små protogalakser ved å oppdage strålingen som ble sendt ut av dem da universets alder var mindre enn 1 milliard år.

Radarlasermetoder for å måle hastigheten til ulike objekter på jorden (for eksempel en bil, et fly osv.) er basert på Doppler-effekten. Laseranemometri er en uunnværlig metode for å studere flyten av væske eller gass. Den kaotiske termiske bevegelsen til atomene i et lysende legeme forårsaker også en utvidelse av linjer i spekteret, som øker med økende hastighet på termisk bevegelse, dvs. med økende gasstemperatur. Dette fenomenet kan brukes til å bestemme temperaturen på varme gasser.

Effekten av å endre lengden og frekvensen til lydbølger ble først beskrevet av Christian Doppler i 1842, som et resultat av at konseptet ble gitt navnet til den østerrikske fysikeren.

Disse endringene må registreres av mottakeren og forårsakes av bevegelsen til den umiddelbare kilden til bølgene eller bevegelsen til selve mottakeren.

Doppler underbygget teoretisk den direkte avhengigheten av frekvensen av svingninger som oppfattes av en bestemt observatør på retningen og hastigheten på bevegelsen til denne observatøren i forhold til kilden til oscillasjoner.

To varianter av Doppler-effekten vurderes:

1. Optisk - en effekt observert under forplantningen av elektromagnetiske bølger.
2. Akustisk – observert under forplantningen av lydbølger.

Under forplantningen av elektromagnetiske bølger tas den relative bevegelsen til mottakeren og kilden i et vakuum i betraktning. Og når lyd forplanter seg, tas ikke bare mediet i betraktning, men også bevegelsen til kilden og mottakeren av lydbølger i forhold til dette mediet.

Hvis ladede partikler i et bestemt miljø beveger seg med en relativistisk hastighet, må laboratoriesystemet i dette tilfellet registrere den såkalte Cherenkov-strålingen. Dette fenomenet er også direkte relatert til Doppler-effekten.

Dopplereffekten i menneskers hverdagsliv

Dopplereffekten er grunnlaget for laserradarmetoder, ved hjelp av hvilke hastighetene til en rekke objekter (fly, biler, etc.) måles på jorden. I tillegg kan konseptet brukes ved temperaturbestemmelse på varme gasser.

I moderne vitenskapelig utvikling og forskning inntar også prinsippene for Doppler-effekten en betydelig plass. Den kan brukes aktivt:

• I feltet for å studere ulike fenomener i universet;
• innen moderne navigasjon;
• På ulike områder av medisin brukes prinsippet i mange moderne enheter, ved hjelp av hvilke ultralyddiagnostikk av hjerte og blodårer utføres.

Observer Doppler-effekten i Hverdagen ganske enkelt, vel vitende om dets grunnleggende prinsipp. Tatt i betraktning at vi ved gehør oppfatter frekvensen av lydvibrasjoner i form av tonehøyde, kan vi simulere eller spore en spesifikk situasjon. For eksempel, når et tog eller en bil som kjører forbi lager en høy lyd, vil lyden være høyere når den nærmer seg. Når kjøretøyet nærmer seg deg, vil lyden avta betydelig, og når objektet beveger seg bort, vil det høres mye lavere ut.

Det finnes spesielle Doppler-radarer som er i stand til å måle endringer i frekvensene til signaler som reflekteres fra et objekt. Ved hjelp av slike enheter kan du nøyaktig bestemme hastigheten til en rekke objekter - skip, fly, biler. På samme måte beregnes hastigheten til elve- og havstrømmer, hydrometeorer og andre naturfenomener.

Doppler-effekten er fysiske fenomen, bestående av en endring i frekvensen av bølger avhengig av bevegelsen til kilden til disse bølgene i forhold til observatøren. Når kilden nærmer seg, øker frekvensen til bølgene den sender ut og lengden avtar. Når kilden til bølgene beveger seg bort fra observatøren, synker frekvensen deres og bølgelengden øker.

For eksempel, i tilfelle av lydbølger, når kilden beveger seg bort, vil tonehøyden til lyden avta, og når kilden nærmer seg, vil tonehøyden til lyden bli høyere. Dermed kan du ved å endre tonehøyde avgjøre om et tog, en bil med et spesielt lydsignal osv. nærmer seg eller beveger seg bort. Elektromagnetiske bølger viser også Doppler-effekten. Hvis kilden fjernes, vil observatøren merke et skifte i spekteret til den "røde" siden, dvs. mot lengre bølger, og når du nærmer deg - til "fiolett", dvs. mot kortere bølger.

Doppler-effekten viste seg å være en ekstremt nyttig oppdagelse. Takket være ham ble utvidelsen av universet oppdaget (spektrene til galakser er rødforskyvet, derfor beveger de seg bort fra oss); en metode for å diagnostisere det kardiovaskulære systemet ved å bestemme hastigheten på blodstrømmen er utviklet; Det er laget ulike radarer, inkludert de som brukes av trafikkpolitiet.

Det mest populære eksemplet på forplantning av Doppler-effekten: en bil med en sirene. Når hun kjører mot deg eller vekk fra deg hører du én lyd, og når hun går forbi hører du en helt annen – en lavere. Doppler-effekten er assosiert ikke bare med lydbølger, men også med andre. Ved hjelp av Doppler-effekten kan vi bestemme hastigheten til noe, det være seg en bil eller himmellegemer, forutsatt at vi kjenner parametrene (frekvens og bølgelengde). Alt relatert til telefonnettverk, Wi-Fi, trygghetsalarmer– Du kan observere Doppler-effekten overalt.

Eller ta et trafikklys - det har røde, gule og grønne farger. Avhengig av hvor raskt vi beveger oss, kan disse fargene endre seg, men ikke seg imellom, men skifte mot lilla: gult vil gå over til grønt og grønt til blått.

Vel hvorfor? Hvis vi beveger oss bort fra lyskilden og ser bak oss (eller trafikklyset beveger seg bort fra oss), vil fargene skifte mot rødt.

Og det er nok verdt å presisere at hastigheten der rødt kan forveksles med grønt er mye høyere enn hastigheten du kan kjøre på veiene.

Svar

Kommentar

Essensen av Doppler-effekten er at hvis en lydkilde nærmer seg eller beveger seg bort fra observatøren, endres frekvensen til lyden som sendes ut fra observatørens synspunkt. For eksempel endres lyden av motoren til en bil som kjører forbi. Den er høyere når den nærmer seg deg og blir plutselig lavere når den flyr forbi deg og begynner å bevege seg bort. Jo høyere hastighet lydkilden har, desto større frekvensendringer.

Forresten, denne effekten gjelder ikke bare for lyd, men også, for eksempel, for lys. Det er bare mer tydelig for lyd - det kan observeres ved relativt lave hastigheter. Synlig lys har så høy frekvens at små endringer på grunn av Doppler-effekten er usynlige for det blotte øye. I noen tilfeller bør imidlertid Doppler-effekten tas i betraktning selv i radiokommunikasjon.

Hvis du ikke fordyper deg i strenge definisjoner og prøver å forklare effekten, som de sier, på fingrene dine, så er alt ganske enkelt. Lyd (som lys eller et radiosignal) er en bølge. For klarhetens skyld, la oss anta at frekvensen til den mottatte bølgen avhenger av hvor ofte vi mottar "toppene" til den skjematiske bølgen (dropboxusercontent.com). Hvis kilden og mottakeren er stasjonære (ja, i forhold til hverandre), vil vi motta "rygger" med samme frekvens som mottakeren sender dem ut med. Hvis kilden og mottakeren begynner å nærme seg hverandre, vil vi begynne å motta oftere, jo høyere tilnærmingshastighet - hastighetene vil legge seg opp. Som et resultat vil lydfrekvensen ved mottakeren være høyere. Hvis kilden begynner å bevege seg bort fra mottakeren, vil hver neste "rygg" ta litt mer tid å nå mottakeren - vi vil begynne å motta "rygger" litt sjeldnere enn kilden sender dem ut. Lydfrekvensen ved mottakeren vil være lavere.

Denne forklaringen er noe skjematisk, men den gjenspeiler det generelle prinsippet.

Kort sagt, endringen i observert frekvens og bølgelengde når kilden og mottakeren beveger seg i forhold til hverandre. Assosiert med endeligheten til hastigheten på bølgeutbredelsen. Hvis kilden og mottakeren kommer nærmere, øker frekvensen (bølgetoppen registreres oftere); gå bort fra hverandre - frekvensen synker (toppen av bølgen registreres sjeldnere). En vanlig illustrasjon på effekten er sirenen til spesialtjenestene. Hvis en ambulanse nærmer seg deg, piper sirenen, når den kjører av gårde, summer den høyt. Et isolert tilfelle- forplantning av en elektromagnetisk bølge i et vakuum - en relativistisk komponent legges til der og dopplereffekten manifesterer seg også i tilfellet når mottakeren og kilden er ubevegelige i forhold til hverandre, noe som forklares av tidens egenskaper.

Essensen av Doppler-effekten er avhengigheten av oscillasjonsfrekvensen av hastigheten til oscillasjonskilden i forhold til mottakeren. For eksempel, hvis du kaster en stemmegaffel fra deg, vil lyden virke lavere (svingningsfrekvensen vil reduseres), og hvis en stemmegaffel kastes mot deg, vil lyden virke høyere for deg (svingningsfrekvensen vil øke ). Dette gjelder også vibrasjoner av en annen karakter – lys og radiobølger. Kjente eksempler. 1) På grunn av forskyvningen av stråling fra fjerne stjerner nedover spekteret, mot den røde fargen, oppsto hypotesen om et "ekspanderende univers". 2) Homingmissiler, rettet mot høyhastighetsmål (fiendtlige fly og missiler) av radiobølgen som reflekteres fra målene, mottar svingninger med endret frekvens, denne endringen kalles "Dopplerskift", og radiohoder kalles noen ganger "Doppler" ".