多普勒效应的应用
汪小波
量子力学应用于微观,相对论应用于宏观和宇观。而多普勒效应在大至宇宙,小至原子分子方面,都有广泛应用,且与我们的日常生活息息相关。
1842年奥地利物理学家及数学家多普勒首先提出多普勒效应:指物体辐射的波长因为光源和观测者的相对运动而产生变化,在运动的波源前面,波被压缩,波长变得较短,频率变得较高(蓝移)。在运动的波源后面,产生相反的效应,波长变得较长,频率变得较低(红移)。波源的速度越高,所产生的效应越大,根据光波红/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(声波、电磁波)都存在多普勒效应。假设原有波源的波长为λ,波速为c,观察者移动速度为v:当观察者走近波源时观察到的波源频率为(c+v)/λ,如果观察者远离波源,则观察到的波源频率为(c-v)/λ。
一、宇宙中的多普勒效应
天文学家哈勃使用多普勒效应得出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,天体离开银河系的速度越快红移越大,这说明这些天体在远离银河系。反之,如果天体正移向银河系,则光线会发生蓝移。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.法国物理学家斐索于1848年独立地对来自恒星的波长偏移做了解释,指出了利用这种效应测量恒星相对速度的办法。今天的研究表明来自恒星与地球同种元素的光谱比较几乎都发生了红移,这正是宇宙大爆炸理论的有力证据。
哈勃望远镜通过多普勒效应观察发现,宇宙正在加速膨胀,进而发现是具有排斥作用的暗能量所致;而银河系则因存在暗物质而维系。人们看到的宇宙、认识到的宇宙只占整个宇宙的4%的比例,而占96%的暗物质和暗能量竟然是不为我们所知道的。暗物质和暗能量是21世纪物理学天空飘来的两朵新乌云。
二、宏观世界中的多普勒效应
当火车、警车的警报声和赛车的发动机声,接近观察者时,发出的声音会更刺耳。声源完成一次全振动,向外发出一个波长的波,频率表示单位时间内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频率,即单位时间接收到的完全波的个数决定的。车上乘客体会不到多普勒效应,因为乘客和车没有做相对运动。当波源和观察者有相对运动时,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,当观察者远离波源,观察者在单位时间内接收到的完全波的个数减少,即接收到的频率减小。
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。日常生活中,铁路工人从汽笛声判断列车运动的方向和速度;士兵从呼啸声判断炮弹是远去还接近;利用多普勒效应进行定位、测速、测距等工作的脉冲多普勒雷达,广泛用于机载预警、导航、导弹制导、卫星跟踪、战场侦察、靶场测量、武器火控和气象探测等方面,装有脉冲多普勒雷达的预警飞机,已成为对付低空轰炸机和巡航导弹的有效军事装备,这种雷达还用于气象观测,对气象回波进行多普勒速度分辨,可获得不同高度大气层中各种空气湍流运动的分布情况;在移动通信中,当移向基站时,频率变高,远离基站时,频率变低;国际海事卫星组织运用多普勒效应理论分析了马航MH370航班向卫星发出的信号,判断飞机落入南印度洋,是依据“信号的频率因多普勒效应而发生的微小变化”进行分析的。以上都是多普勒效应的具体应用。
三、微观世界中的多普勒效应
在原子吸收光谱法(AAS)中,理论上原子吸收线应是一条线,实际是具有一定宽度的谱线。产生的原因很多,但主要由多普勒效应引起。由于辐射原子(波源)无规则热运动,使得与观测器之间形成相对运动而发生多普勒效应,引起谱线变宽。
四、医学中的多普勒效应
声波的多普勒效应也可以用于医学的彩超诊断。它是高清晰度的黑白B超再加上彩色多普勒。超声频移诊断法(D超),此法应用多普勒效应原理,当声源与接收体(即探头和反射体)之间有相对运动时,回声的频率有所改变,此种频率的变化称之为频移,D超包括脉冲多普勒、连续多普勒和彩色多普勒血流图像。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”。
汪小波,四川省夹江中学退休教师,四川省特级教师。曾任多届夹江县政协常委、夹江中学教科室主任。曾获乐山市优秀人才、乐山市优秀教师、夹江县首届名教师等称号。发表论文论著80多篇(部),有多个教育科研课题获省市成果。
“青神天梯杯”2025七夕征文大赛
“鸾扇斜分凤帷开,星桥横过鹊飞回,争将世上无期别,换得年年一度来。”在2025年中国情人节七夕节即将到来之际,《三苏文学》特举办“青神天梯杯”2025年七夕征文大赛,征集有关七夕的诗词、散文、小说等作品。
四川省青神县河坝子玉蟾寺在白石岩上从寺庙上到山顶的石阶被广大网友誉为“青神天梯”,赋予爱情相爱相守的象征,是四方游客及网友争相打卡之地。
1、征稿时间:2025年7月23日至2025日8月31日。
2、作品应为与七夕节相关的小说、诗歌、散文等原创作品。
3、作品抬头应注明“青神天梯杯征文大赛”。参赛作品投《三苏文学》主编微信/ZWB612462。
4、参赛期间作品所有赞赏全部作为大赛运营费用及奖金。
5、参赛作品在《都市头条》三苏文学专栏上刊发,同时在《三苏文学》微信公众号上选发。
6、作品在都市头条浏览量达4万、点赞及留言达20个(条)才能入围。
6、大赛设一、二、三等奖各一名,赠送《三苏文学》会员资格一年,分别奖励精美荣誉证书各一本。优秀奖5名,赠送《三苏文学》会员资格一年。
7、2025年9月5日在《三苏文学》微信公众号上发布获奖名单。
8、三苏文学招募会员,将在全国各省设立分社,壮大三苏文学社,会员可以升入管理层,投稿可优先编发。有意可联系主编微信/ZWB612462。
三苏文学社
2025年7月23日
赵文碧,四川省青神县河坝子人,三苏文学社社长、主编,擅长写散文与地方传说,代表作品有《火烧玉蟾寺》、《丞相敬师》等,作品常见于《三苏文学》微信公众号、江山文学网、都市头条、金榜头条、美篇、百度等。
三苏文学将在每年年底评选当年三苏文学的优秀作者,按投稿量、浏览量、评论数、获精次数、上红榜各占25%,前三名将获得精美荣誉证书及至尊奖杯,并同时在《三苏文学》微信公众号、都市头条、金榜头条、今日头条、百度等平台广泛颁布彰显荣耀,到时可以做现场颁奖活动。欢迎文学老师们踊跃参加、积极支持、互相转告。