Эффект доплера — студенческий портал

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.

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. 

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

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.

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.

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. 

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 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.

Источник: https://nauka.club/fizika/effekt-doplera.html

Эффект Доплера для чайников: суть явления, применение, формула

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 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 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.

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.

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 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:

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:

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.

Источник: https://Zaochnik-com.ru/blog/effekt-doplera-dlya-chajnikov-sut-yavleniya-primenenie/

Эффект Доплера что это такое? Определение эффекта, примеры и формула расчета

Что же происходит и в чём причина этого эффекта?

Нам хорошо известно, что звук — это механические упругие волны. Основными характеристиками любой волны являются:

• длина волны;
• период колебаний в волне;
• частота колебаний в волне;
• амплитуда;
• скорость волны.

Мы будем говорить сейчас о трёх из них — длине волны, скорости волны и частоте колебаний, которые связаны друг с другом формулой  где λ — длина волны, v — скорость волны, а ν — частота колебаний. Если, к примеру, находящийся в воде поплавок начнёт совершать вертикальные колебания, то по воде начнут расходиться круги, расстояние между которыми и будет равно длине волны. Поплавок, в данном случае, представляет собой неподвижный источник волн, то есть, совершая колебания, он, тем не менее, остаётся на том же месте по отношению к неподвижному относительно Земли наблюдателю. Но совсем иначе будет выглядеть волновая картина, если источник волн будет либо приближаться, либо удаляться от наблюдателя.

Проводя наблюдения за волнами на воде, Доплер заметил, что когда источник волн приближается к наблюдателю, то длина волны становится немного меньше, а следовательно, частота становится немного больше, то есть количество гребней перед движущимся источником волн больше, чем позади него.

Именно поэтому звук приближающегося автомобиля или поезда будет более высоким. С другой стороны, когда источник волн удаляется от наблюдателя, то длина волны становится немного больше, а следовательно, частота становится немного меньше, то есть количество гребней волны позади движущегося источника меньше, чем впереди него.

Именно поэтому звук удаляющегося от нас автомобиля или поезда будет более низким. В этом и состоит суть эффекта Доплера — изменение длины волны или её частоты при движении источника волны к наблюдателю или от него.

И это изменение можно довольно легко подсчитать, зная скорость движения источника волн и их длину или частоту в случае, если источник неподвижен относительно наблюдателя.

2. Эксперименты

Чтобы увидеть эффект Доплера своими глазами или услышать своими ушами вовсе не нужны специальные лаборатории или сложные установки. Вот описание двух простых экспериментов, в ходе которых можно его наблюдать.

Возьмите свисток и прикрепите к нему длинную гибкую трубку так, чтобы можно было свистеть в свисток при помощи этой трубки.

Если держать трубку и свисток неподвижно и дуть в трубку, то будет слышаться ровный свист, а если раскрутить трубку со свистком, не прекращая дуть в неё, то можно будет услышать как меняется звук свистка при приближении к вам и отдалении от вас. Это и будет наглядным подтверждением эффекта Доплера.

Второй эксперимент осуществить сложнее, но именно его осуществил в 1845 году голландский метеоролог и химик Христофор Бёйс-Баллот.

Суть эксперимента сводилась к тому, что в поезде размещались музыканты-трубачи, которые должны были играть одну и ту же ноту, а на станции, мимо которой проезжал этот поезд, другая группа музыкантов должна была внимательно слушать как меняется тон этого звука при приближении и удалении поезда.

Музыканты — люди с очень хорошим слухом, и им как никому другому проще всего определить это изменение, что они успешно и выполнили, подтвердив экспериментально открытый Доплером эффект.

Но самый простой способ убедиться в существовании этого эффекта — прислушаться к сирене машины скорой помощи в момент, когда она приближается к вам и в момент, когда она, проехав мимо вас, удаляется. Звук сирены будет отличаться, хотя никаких изменений в работе сирены на самом деле не происходит. Это и есть эффект Доплера для звуковых волн.

3. Формула и применение

Как уже было сказано, зная скорость источника волн по отношению к неподвижному наблюдателю можно определить регистрируемую приёмником частоту волны. Формулу, позволяющую это сделать, нетрудно вывести, зная, что  (здесь v — скорость волн в данной среде, ν0 — частота испускаемых источником волн), и, если источник приближается к неподвижному наблюдателю со скоростью u относительно среды, то  и тогда частота, которую будет регистрировать неподвижный приёмник, будет равна:

Если же сам приёмник движется относительно среды со скоростью u1, то частота регистрируемых им волн будет равна:

Если же и источник, и приёмник движутся относительно друг друга, то:

Эффект Доплера, как вы, наверное, уже догадались, возникает не только при распространении звуковых волн, но и вообще любых волн, в том числе и электромагнитных, одним из видов которых является видимый свет.

Если бы наш глаз был сверхчувствителен, то мы могли бы заметить, что как и в случае со звуком, если источник света приближается к наблюдателю, то длина волны становится меньше, а частота больше, и наоборот, если источник света удаляется от наблюдателя, то длина волны увеличивается, а частота уменьшается.

То есть свет зелёной лазерной указки при стремительном её приближении к нам наблюдался бы как слегка голубоватый, а при удалении от нас был бы более жёлтым.

Но наш глаз различить этого не может, зато точные приборы могут и этот эффект позволил учёным сделать одно очень важное наблюдение — спектры наблюдаемых нами звёзд немного сдвинуты по частоте в меньшую сторону, что называется «красным смещением» и является доказательством того, что галактики удаляются друг от друга, а значит, Вселенная расширяется. Это, пожалуй, самое важное применение эффекта Доплера в фундаментальной науке. Но эффект Доплера и связанные с ним формулы нашли очень широкое применение не только в астрономии. Прежде всего, стоит сказать о медицине. В ультразвуковой диагностике эффект Доплера применяется для исследования внутренних органов человека. А также, именно эффект Доплера лежит в основе действия полицейских радаров, определяющих скорость автомобиля, и камер, следящих за скоростным режимом на дорогах. Эффект Доплера применяется в метеорологии, воздушной навигации, при расчётах траекторий спутников, системах навигации.

4. Релятивистский эффект Доплера

Выше уже было отмечено, что эффект Доплера применим не только к механическим, но и к электромагнитным волнам.

Однако, в случае электромагнитных волн нужно учитывать, что их скорость — есть величина постоянная, не зависящая от направления и скорости движения источника или наблюдателя, и равная с.

В этом случае, формулы, аналогичные тем, что приведены для звуковых волн, следует выводить на основании специальной теории относительности Эйнштейна. Это и будет формула релятивистского эффекта Доплера. Не углубляясь в процедуру её вывода, приведём сразу окончательный результат:

Здесь v — это скорость источника относительно приёмника, а угол а — при удалении источника вдоль прямой равен π, а при приближении источника по прямой равен 0.

5. Методические советы учителям

1. При описании эффекта Доплера лучшей демонстрацией будет звукозапись сирены или гудка проезжающего автомобиля. Для этого можно одному или нескольким ученикам предварительно дать задание — записать сигнал проезжающего мимо автомобиля или машины скорой помощи на смартфон. С этой звукозаписи и стоит начать урок.
2. Особое внимание стоит уделить применению эффекта Доплера, а не самим формулам, с ним связанным. Ведь этот эффект используют люди самых разных профессий — сотрудники ДПС, врачи, учёные, метеорологи.
3. Приводимые здесь формулы можно преобразовать и решить несколько вычислительных примеров практической направленности — рассчитать скорость автомобиля или определить изменение звукового тона по частоте.
4. Особое внимание следует уделить применению эффекта Доплера в астрономии и космологии, ведь именно из этого эффекта следует вывод о расширяющейся Вселенной, что в итоге привело к созданию современной космологической модели Вселенной.

#ADVERTISING_INSERT#

Источник: https://rosuchebnik.ru/material/effekt-doplera/

Что такое эффект Доплера: чем вызван и как проявляется • SAMESOUND — сайт для музыкантов

Для стоящего на месте и бегущего вперед человека один и тот же звук будет звучать по-разному.

Представьте, что вы стоите рядом с падающим деревом, а ваш друг бежит к месту падения: для вас треск дерева будет казаться ниже, чем для вашего длинноногого товарища.

Такой эффект искажения восприятия связан с эффектом Доплера — феноменом, открытым австрийским физиком Кристианом Доплером в середине XIX века.

Этот эффект вряд ли встретится вам во время записи в студии. Тем не менее, вы будете постоянно замечать его на практике, если работаете со звуком на сцене, на улице или в других местах, где вы постоянно перемещаетесь от или к источникам звука.

Что такое эффект Доплера?

Мы сталкиваемся с действием эффекта Доплера ежедневно: когда мимо нас проносится сигналящая машина, звук сигнала сначала кажется очень высоким, а затем низким. Такое изменение вызвано тем, что источник сигнала (автомобиль) сначала движется нам навстречу, а затем — удаляется от нас. Чтобы более наглядно понять принцип работы эффекта, взглянем на синусоидальную звуковую волну.

Расстояние между пиками (вершинами или гребнями) называется длиной звуковой волны. Разделив скорость волны на ее длину, мы получим звуковую частоту — количество времени, которое проходит между пиками. Чем выше частота (чем чаще колеблется волна и чем больше в ней изгибов), тем более высокий звуковой сигнал мы слышим.

Зная это, представьте сигналящую машину, несущуюся в вашу сторону. Из-за того, что автомобиль движется каждый последующий пик звуковой волны располагается все ближе к вам — это создает иллюзию близкого расположения пиков друг к другу.

Нашим ушам кажется, что звуковая волна колеблется очень быстро — звук слышится высоким. После того, как машина проезжает, начинается обратная иллюзия: мозг думает, что звуковая волна начинает удлиняться (мы слышим понижение 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, реальный инструмент распространяет собственный звук во все стороны, что делает его намного объемнее и живее.

Постепенно Лесли пришел к идее вращающегося динамика (англ. rotary speaker).

Работая над своим изобретением, мужчина обнаружил интересную особенность: вращаясь на малой скорости, динамик создавал эффект хоруса, вращаясь на большой — эффект вибрато.

Такая особенность стала своего рода побочным эффектом конструкции, результатом ошибки при проектировании, которую Лесли не стал устранять — получавшийся звук слишком нравился изобретателю.

Закончив работу над проектом, Лесли обратился напрямую в компанию Hammond, предложив им оснастить одноименные органы собственным изобретением.

Фирма Лоуренса Хаммонда отклонила предложение, после чего изобретатель основал компанию Leslie и начал самостоятельное производство вращающихся динамиков в качестве аксессуара для разных электроорганов.

Постепенно особенное звучание вращающегося динамика обрело популярность в музыкальной индустрии, а сам эффект стали называть в честь изобретателя — Leslie. Вращение динамика также создает 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

Эффект Доплера можно заметить, если играть или петь под потолочным вентилятором — вращающиеся лопасти вентилятора отражают звук, изменяя его высоту. Попытки настроить инструмент стоя под вентилятором вряд ли увенчаются успехом — отраженные и оригинальные звуковые волны непременно столкнутся в пространстве, что исказит восприятие звука нашими ушами (а иногда и приведет к возникновению эффекта наподобие хоруса).

Эффект Доплера в музыке

Некоторые композиторы и исполнители использовали эффект Доплера в своем творчестве. Среди ярких примеров можно назвать 22-минутную синтезаторную сюиту Kraftwerk «Autobahn».

Звуковой эффект, созданный с помощью синтезатора имитирующего проносящиеся по автобану машины, можно услышать на отметке 3:17.

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». Подобный эффект также можно встретить в творчестве Джими Хендрикса, The Beatles, Queen и Pink Floyd — эти группы имитировали Доплера с помощью эффекта Leslie.

Источник: Soundfly

Источник: https://samesound.ru/a/88430-doppler-effect-explain

Эффект Доплера

Эффект Доплера – это изменение частоты и длины волн (оно регистрируется приёмником), порождённое перемещениями, как источника волн, так и приёмника.Причём, движения среды, в коей происходит перемещение волн, не связано с этим перемещением, а волновая скорость зависит от характеристик этой среды. Сам волновой источник уже не может влиять на дальнейшее поведение волн.

Удаляющийся источник будет иметь спектральное смещение в красную сторону, а длина волн его будет увеличиваться.

Основными волновыми характеристиками являются частота и длина волны. Частотой считается количество пиков волн, произошедшее в точке наблюдения за секунду. Длина волны – это расстояние между её «гребнями» или «впадинами». Эти две характеристики связывает скорость, с которой происходит распространение волн в какой-либо среде.

Принцип явления прост: если источник волны и наблюдатель двигаются относительно друг друга, то изменится частота сигнала, воспринимаемая наблюдателем. Она либо увеличивается (приближение источника), либо снижается (удаление источника).

 Это частотное смещение находится в прямой пропорции к скорости источника, перемещающегося по отношению к наблюдателю.

В 1842 году австриец Кристиан Доплер сумел установить и обосновать зависимость частоты колебаний, которую оценивает наблюдатель, от скорости и направления движения источника волн. На этом явлении базируются основные принципы измерений многих параметров космических объектов.

Универсальность закона

Из практических изысканий ясно, что эффект Доплера верен для любого типа волн, в частности, и звуковых. Это легко подтверждается примером движущегося автомобиля с работающей сиреной.

Приближаясь, звук сирены усиливается (уменьшение длины волны), а при удалении её, сила звука сирены будет снижаться (увеличение длины волны). Это же правило работает и для света, и электромагнитного излучения в целом.

 При сближении с наблюдателем светового источника, длина наблюдаемой волны будет становиться короче, и свет будет иметь оттенки спектра в фиолетовых тонах.

Эффект Доплера в астрономии

Открытие Доплера используется при анализе космических объектов. При наблюдении спектра через призму спектрометра, можно увидеть характерные линии химических элементов, находящихся в составе объекта исследования. Именно на это обратил внимание Хаббл. Заметив в спектре атомного излучения изучаемых им галактик красное доплеровское смещение, он сделал вывод, что эти галактики отдаляются.

Смещение в красную сторону спектра тем больше, чем дальше от нас расположены объекты. 

Таким образом, становится ясно, что эффект Доплера – яркий индикатор расширяющейся Вселенной. Если бы Доплеру был известен закон Хаббла, то он и сам бы смог вычислить расстояния до галактик.

Метод Доплера в обнаружении экзопланет

Иначе этот метод называют спектрометрическим измерением лучевой скорости звёзд. Он получил наибольшее распространение для поиска экзопланет, и эффективность его применения исключительно высока.

Метод Доплера позволяет обнаруживать планеты, имеющие массы в несколько масс Земли, которые располагаются близко к своей звезде.

А также, можно «увидеть» планеты-гиганты, имеющие периоды обращения до 10 лет. Двигаясь вокруг своего светила, планета раскачивает его, что вызывает доплеровское смещение в спектре звезды. С помощью этого метода определяется амплитуда колебаний радиальной скорости между звездой и одиночной планетой.  При помощи метода Доплера к концу 2012 года удалось открыть 488 планет в 379 системах планет.

Использование в других областях

Открытие нашло применение в различных областях:

• Доплеровский радар. Этот прибор улавливает частотные изменения сигнала, отражаемого от предмета. Изменение этого параметра позволяет измерить скорость объекта. Такие радары позволяют определять скорости автомобилей и летательных аппаратов, судов, течений водных потоков.
• Измерения скоростей потоков. На эффекте Доплера основан метод измерения скорости потоков жидкостей и газов. Это возможно без прямого помещения датчика в сам поток. Определение скорости происходит путём волнового рассеяния.
• Применение в медицинских исследованиях. Эффект Доплера в медицине распространён достаточно широко. Особенно удачно проводятся акушерские обследования, помогающие отслеживать ход беременности. Для диагностики характеристик кровотока также используют принцип этого эффекта.
• Методика, использующая ультразвуковые исследования, основанные на эффекте Доплера, называется доплерографией. Его сутью является то, что движущиеся объекты отражают ультразвуковые волны с изменённой частотой.

Принцип Доплера незаменим, если необходимо определять скорости предметов, например:

• Детекторы движения в различных системах охран;
• Навигация на подводных судах;
• Измерения силы ветровых потоков;
• Определение скоростей передвижения облаков.

Поразительным фактом является то, что эффект Доплера стабильно работает при гигантских колебаниях частот, но мизерных (мм/сек) скоростях источника.

Источник: http://light-science.ru/fizika/effekt-doplera.html

Электромагнитный эффект Доплера, Доплеровское рассеяние

Эффект Доплера — изменение частоты, воспринимаемое наблюдателем (приёмником), вследствие движения источника излучения или движения наблюдателя (приёмника).

Эффект Доплера проявляется в том, что у нас частота сигнала изменяется, при движении, либо источника или приемника, относительно передатчика. На картинке, красная точка это источник сигнала, синие кольца фронт волны. 

Если у нас источник движется к наблюдателю, то фронты волны уплотняются, источник постоянно пытается догнать эти фронты волны. Расстояние между двумя фронтами волны это период колебаний. Если период колебаний уменьшается, частота увеличивается.

Если источник двигается к наблюдателю, то частота увеличивается. Соответственно, если источник удаляется, то наблюдаемая частота уменьшается, период увеличился, расстояние между фронтами волны увеличивается.  

Эффект Доплера применим не только к радиоволнам. Он применим к любым волнам, включая акустические, которые можно наблюдать в повседневной жизни. Автомобиль движется мимо вас с громкой музыкой, сначала он движется к вам, и проезжая мимо вас, двигается от вас и в этот момент времени, наблюдаемая частота будет меньше. 

На картинке выше, выражение с помощью которого можно оценить доплеровский сдвиг частоты. Δf — смещение частоты относительно несущей. f0 — несущая частота. v — скорость в м/с. 

Пример для эффекта Доплера

Например, есть наблюдатель и источник. 

• В случае, когда угол θ=0 градусов, cosθ=1, это максимальный сдвиг частоты. 
• Если вектор скорости v2 будет направлен θ=90 градусов, cosθ=0. Тогда эффект Доплера наблюдаться не будет, потому что нет взаимного приближения или удаления. 
• И если вектор скорости v3 будет направлен в обратную сторону, объект будет удаляться. θ=180 градусов. cosθ=-1. 

Для примера, если у нас скорость 100 км/ч на частоте 100 МГц доплеровский сдвиг частоты составит 9,25 Гц. Сдвиг Доплера пропорционален частоте несущей и скорости. Все по формуле выше. Если мы увеличиваем частоту или скорость, то эффект Доплера будет проявляться сильнее. Представим, что скорость не 100 км/ч, а 1000 км/ч, тогда у нас будет сдвиг 90 Гц. 

Доплеровское расширение спектра

Спектр сигнала определяется не одной спектральной составляющей, а занимает некоторую частотную полосу. Для примера, представили, что спектр состоит из трех спектральных составляющих, с тремя частотами f1, f2, f3. 

Источник сигнала и приемник неподвижны. Когда источник сигнала начинает двигаться, то все три составляющие, неравномерно сместятся вверх или вниз по частоте, а расстояние между ними, частотный интервал, будет меняться. Есть f0 частота несущей, чем больше частота несущей, тем больше проявляется эффект Доплера.

Соответственно, эффект Доплера на частоту f3, так как она выше по частоте, будет больше, чем эффект на частоту f1. Это приводит к том, что когда возникает эффект Доплера, который действует на все частоты по разному, происходит либо растягивание спектра (движение к объекту), либо сжатие спектра (движение от объекта).

Это не просто смещение частоты несущей, это и искажение спектра сигнала. 

Когда эффект Доплера небольшой и ширина спектра небольшая в килогерцах, то мы можем пренебречь эффектом. Но когда ширина спектра измеряется мегагерцами, а скорости больше, то здесь пренебрегать эффектом мы не можем, у нас идет явное искажение сигнала. 

Чем выше частота, тем больше эффект Доплера.

Доплеровское рассеяние

Если у нас есть многолучевое распространение, передатчик излучил, где-то в пространстве было множество объектов, от которых сигнал отразился и на приемник поступают несколько лучей. 

Если отражающая среда двигается, получается, что каждый луч испытывает разный сдвиг частоты. Если мы говорим про короткие волны, ионосфера это облако ионизированного газа, которое, как-то шевелится и из-за того, что к приемнику приходит несколько лучей, каждый луч испытывает разный сдвиг частоты из-за эффекта Доплера, возникает рассеяние. 

Если мы излучили сигнал с одной частотой, то на приемник придет сигнал с рассеянным спектром. 

Может быть случай, когда здание неподвижно, передатчик неподвижен, движется приемник. Из-за того, что приемник движется относительно отражающих поверхностей (зданий), расстояние до каждого объекта уменьшается с разной скоростью, получаются разные углы cosθ и скорости. Соответственно, каждый луч будет испытывать сдвиг частоты, будет возникать доплеровский эффект. 

Не важно что двигается, передатчик или приемник, в любом случае возникает эффект Доплера, происходит расширение спектра и доплеровское рассеяние. 

Источник: https://ZvonDoZvon.ru/radiosvyaz/effekt-doplera

Эффект Доплера. Феномен Эйнштейна

Рекомендовано Учебно-методическим центром «Профессиональный учебник» в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений.

Задача курса – дать необходимые знания по естественным наукам. Он рассчитан, с одной стороны, на обыкновенных студентов технических и гуманитарных университетов, с другой, на молодых людей, особенно очарованных ярким светом естественно-научных знаний. Наш курс поможет читателю схватить общую структуру естествознания, понять свой собственный тип мышления и подсказать, каким образом ему можно было бы выстроить свое отношение к науке. Индивидуальные особенности восприятия мира столь различны, что в пору провозгласить: все знания – субъективны.

Тематический план стандартного курса «Естествознание». Темы рефератов. Цель естествознания. Классификация естественных наук. Определения конкретных подразделов естествознания: механики, физики, химии, биологии, психологии и т.д. Задачи анатомии, физиологии и эмбриологии. Генная и эволюционная теория органической материи. Теория, метод, эксперимент. Конструктивисты и феноменалисты. Атом и элемент. Дискретность и континуальность. Каждый этап в развитии науки персонифицирован. Основные задачи истории науки. Каков характер процесса развития науки.

Почему зимой холодно, а летом жарко? История с двумя связанными маятниками. Современные люди живут во времени, пространства они не замечают. Циклическое развитие науки: конструктивная фаза сменяется формально-феноменологической. В самые древние времена существовали превосходные образцы научной мысли. Мифы – это преувеличения, рожденные свободной фантазией; в ХХ веке мы столкнулись с откровенным мифотворчеством, основанным на сказочной кривизне пространства и волшебном замедлении времени. Карты Равена. Теория относительности – плод огромной массы людей, мыслящих понятиями, но не представлениями. Релятивизм начинается там, где проводится равенство между субъектом теории и объектным наблюдателем. Вся теория относительности соткана из огромного числа противоречий. Перечень десяти парадоксов теории относительности. Ошибочное объяснение эффекта Доплера по Франкфурту и Френку. Всякий, кто осмелится сегодня усомниться в истинности формул теории относительности, получает клеймо сумасшедшего. Цель нашего курса – показать глубину кризиса современного естествознания, вскрыть социально-психологические механизмы возникновения релятивистского мифа. Недавние измерения над Антарктикой космического микроволнового фона показали, что вселенная устроена не по Эйнштейну.

Французская революция породила романтико-утопический взгляд на природу. Огюст Конт – родоначальник позитивизма. Согласно Конту, человечество прошло три фазы: теологическую (мифологическую), метафизическую (философскую) и позитивистскую (научную), что в корне ошибочно, так как все три составляющие в той или иной пропорции всегда присутствовали одновременно. Куб фундаментальных физический теорий мало чем отличается от тетраэдра пифагорейцев. Эйнштейн «был скорее мечтателем, пылко восхищавшимся величественностью мироздания, чем трезвым ученым». Зельманов и Новиков – сказители басен, мифотворцы и, по совместительству, видные специалисты в области теоретической физики. Бездельники, не желающие тратить свои силы на решение земных задач, заглядывают либо в далекое будущее Вселенной, либо в далекое прошлое, исследуя ее зарождение. Девис: «Не подлежит сомнению, что новая физика несет на себе весьма сильный отпечаток таинственности… ». Утопическое сознание буйствует там, где разум дремлет. Сказочная физика наших дней оставила далеко позади мечты искателей философского камня, создателей эликсира молодости и изобретателей вечного двигателя. Антропный принцип. После сметри Эйнштейна релятивисты перешли от строительства изотропно-гомогенных космологических моделей к анизотропно-гетерогенным моделям, типа «космической пены». Стереотипы мифологического мышления во все времена удивительно схожи.
Эффект Доплера демонстрирует нарушение принципа относительности, так как на его основе всегда можно указать что относительно чего движется: источник относительно приемника или наоборот. Традиционная формула для Доплер-эффекта апеллирует к проекциям векторов скорости, истинная же формула должна оперировать с самими векторами. В лекции дается геометрический вывод точной формулы и три вида ее записи. К четвертой лекции тесно примыкают разделы: Эти разделы были написаны позднее курса лекций. В них главная идея излагается в более наглядной и развернутой форме. Здесь обращается внимание, почему точная и универсальная формула не получила до сих пор должного распространения. Показывается, что с точки зрения геометрии нет никакой разницы в распространении света и звука. Рассказывается о конусе ударной волны и поперечном эффекте Доплера, который имеет место всегда, в том числе, и для акустических волн. Указывается на неоднозначность релятивистской формулы из-за действия парадокса штриха. Подробно анализируется квантовая теория В.Л. Гинзбурга как пример ошибочной концепции, опирающейся на спекулятивное понятие об электроне как материальной точке.

Краткое содержание лекций 5 – 15

Материал лекций 5 – 15, написанный до 2001 года, был существенно переработан, дополнен и структурирован иначе. В частности, сейчас на нашем сайте размещены следующие страницы, посвященные Эйнштейну и критике теории относительности:

• Парадокс штриха и парадокс лыжников

Числитель и знаменатель математических выражений, описывающих Доплер-эффект, в различных учебниках и справочниках произвольно меняются местами, так как без наличия среды их авторы не в состоянии определиться с конкретным видом формулы. Эта принципиальная неопределенность получила название парадокса штриха. На этом проблемы не заканчиваются. Между релятивистскими формулами для сложения скоростей и для эффекта Доплера тоже существует противоречие, получившее название парадокса лыжников.

• Парадокс штриха для координат

Парадокс штриха, т.е. неопределенность его положения в формулах, описывающих эффект Доплера, перекидывается на формулы сокращения длины и замедления времени. В данном разделе приводятся тексты из классических учебников и книг, демонстрирующих полную неразбериху в формулах. На первый взгляд кажется, что в книгах по СТО говорится об одном и том же. На деле мы имеем противоречия, которые нельзя объяснить принципом относительности. Здесь доказывается, что роль абсолютной системы координат необходима, без нее любые формулы лишаются смысла.

• Спекулятивная геометрия

В первой работе 1905 года по теории относительности Эйнштейн фактически пользовался тремя системами координат — одной абсолютной и двумя относительными, помещенными в эту абсолютную координатную систему. Релятивисты пользуются геометрией, внешне напоминающей аналитическую. Однако, если вы захотите перейти от чертежей к формулам или наоборот, у вас ничего не выйдет. Дело в том, что все чертежи в теории относительности приблизительные, в частности, они не отражают фактическое сокращение длины или замедление времени.

• Пространственные парадоксы

Ошибки, заложенные в геометрии, легко можно выявить путем построения пространственных противоречий. В этом разделе анализируются противоречия, получившие названия «парадокс распиленной линейки», «парадокс рычага» и «парадокс с гантелью на растяжках». Все они возникли на ошибочном представлении о кинематическом сокращении длины. Если физический объект меняет свои размеры, то это должно происходить только под воздействием каких-либо динамических воздействий.

• Парадоксы времени

Парадокс близнецов или двух часов — это не единственный противоречие, существующий в теории относительности. При желании подобные «парадоксы» можно легко преумножить. Но для начала здесь подробно рассматриваются изъяны различных «решений» самого известного парадокса, возникшего сразу же, после того, как было заявлено, что движущиеся часы замедляют свой ход. В данном разделе доказывается, что парадокс времени не разрешим, рассказывается также о парадоксе трех часов.

• Эксперимент Майкельсона – Морли

Всё началось с этого опыта, который с самого начала был задуман не верно. Майкельсон и все следующие за ним экспериментаторы не могли зафиксировать «эфирный ветер», во-первых, в силу его фактического отсутствия, во-вторых, по причины действия компенсационного принципа. Так как источник излучения двигается одинаково вместе с приемником, то никаких изменений в интерференционной картине не произойдет. Майкельсон при расчете набега фазы не учел эффекты аберрации и Доплера, которые компенсируют различия в оптических путях хода лучей в интерферометре.

• Радиолокационный метод

Его еще называют методом коэффициента k. Идея возникла при решении парадокса двух братьев-близнецов путем введения еще одного брата-космонавта. Начало этому методу положили Бонди и Холсбэри; в изложении Борна он предстал особенно в выгодном свете; Бом сделался неутомимым поборником и усердным пропагандистом его; сейчас он вошел практически во все более или менее полные учебники по теории относительности.

• Отклонение лучей света вблизи массивных тел

Оптические явления, происходящие вблизи Солнца настолько сложны, что чисто гравитационные объяснения микроскопических отклонений лучей от звезд выглядят просто смехотворно. Задайте себе вопрос: почему мы до сих пор обсуждаем результаты почти вековой давности? Где данные по самым последним затмениям Солнца? Если их нет в справочниках по наблюдательной астрономии, в которых из года в год вносятся уточнения по тем или иным параметрам, — значит, отклонения лучей вблизи массивных тел абсолютно не интересуют астрономов-практиков, и мы догадываемся почему.

• Аномальное движение перигелия Меркурия

Появление в окончательном выражении скорости света (c) можно объяснить желанием Гербера скомпенсировать малую величину гравитационной постоянной (G) некой большой величиной, имеющей размерность квадрата скорости. Как только незамысловатое выражение «заработало», у ее автора появилось желание найти какое-то объяснение для фигурирующей в нём скорости света. Гербер предположил, что гравитация, по всей видимости, распространяется со скоростью электромагнитных волн. Сначала на это «высосанное из пальца» объяснение никто особо не обратил внимание. Но потом появилась ОТО; внутри этой искусственной теории Эйнштейна — более искусственной, чем теория Гербера, — эмпирически подогнанная формула зазвучала с невероятной силой. Теперь она сделалась жупелом как для сторонников, так и противников релятивистской физики.

• Как создавалась общая теория относительности

Факт получения Гильбертом правильных уравнений гравитационного поля представляется неоспоримым. Однако факт приоритета нужно отличать от позорного факта плагиата. Если доказать, что плагиата не было, то можно будет говорить об одномоментном рождении заветных уравнений в головах двух ученых, работавших независимо друг от друга. Стейчел и его компания взяли на себя труд защитить эту позицию как свою задачу-минимум. В качестве задачи-максимума они решили бросить тень на Гильберта. Но люди, хорошо знакомые с невысокими моральными качествами Эйнштейна, не верят ни в счастливое совпадение, ни тем более в его честность.

• Главный аргумент против теории относительности

Ни один исследователь, имеющий дело с реальной наукой, еще ни разу не воспользовался релятивистской формулой сложения скоростей. Везде и всегда вектор скорости перемещения светового фронта складывается с вектором скорости перемещения объекта, на который этот фронт воздействует. Постулат о постоянстве скорости света относительно приемника не работает. Что касается его постоянства относительно источника, то свет ведет себя точно так же, как и звук.

• Почему теория относительности ошибочна

К главному аргументу против теории относительности можно присовокупить еще несколько важных доводов, делающих релятивистское учение абсолютно не жизнеспособным. В данном разделе коротко, доступно и исчерпывающе даются ответы на часто задаваемые вопросы. Текст написан в стиле диалога и может служить своеобразным катехизисом для антирелятивиста.

• СТО как спекулятивная догма

Преподаватели школ и вузов излагают теорию относительности в расчете на то, что их слушатели дураки и не станут задавать им каверзных вопросов. Однако всякий учащийся школы или студент вуза, ознакомившись с критикой теории относительности, легко поставит своего мучителя в неловкое положение. «Неудобные» вопросы лишний раз убедят его и, возможно, преподавателя в бессмысленности изучения учения Эйнштейна. Релятивистская догма нужна сегодня лишь для сдачи экзамена и совершенно бесполезна для познания природы.

Источник: http://sceptic-ratio.narod.ru/fi.htm