多普勒效应及其应用
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摘要:在日常生活中,人们都有这样的经验,火车汽笛的音调,在火车接近观察者时比其远离观察者时高.此现象就是多普勒效应。它是由奥地利物理学家多普勒于1842年首先发现的。多普勒效应是波动过程的共同特征。光波也有多普勒效应。此效应在卫星定位、医学诊断、气象探测等许多领域有着广泛的应用。本文将对其原理及应用进行讨论
一、声波的多普勒效应及运用
当一列呜笛的火车经过某观察者时,他会发现火车汽笛的声调由高变低。这是因为声调的高低是由观察者耳膜振动频率的不同决定的,如果频率高,听起来声调就高,反之听起来声调就低,这就是声波的多普勒效应。当火车以恒定速度驶近观察者时,汽笛发出的声波在空气中的传播结果是波长缩短。因此,在一定时间间隔内进入人耳的声波频率就增加了,这就是观察感受到声调变高的原因;相反,当火车驶向远方时,声波的波长变大、频率变低,因此听起来就显得低沉。
定量分析可得观测到的波的频率f'=(v+u)f/(v-w),式中w为波源相对于介质的运动速度、u 为观察者相对于介质的速度、v
表
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示波在静止介质中的传播速度、f表示波源的固有频率。当观察者朝波源运动时,u取正;当观察者背离波源运动时,u取负。当波源朝观察者运动时,w取负;当波源背离观察者运动时,w取正。从上式易知,当观察者与声源相互靠近时, f'>f;当观察者与声源相互远离时f'
总结
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出著名的哈勃定律:星系的远离速度v与距离r成正比,即v=Hr,H为哈勃常数。根据哈勃定律和后来更多天体红移的测定,人们相信宇宙在很长时间内一直在膨胀,物质密度一直在变小。由此推知,宇宙结构在某一时刻前是不存在的。1948年伽莫夫和他的同事们提出了大爆炸宇宙模型,20世纪60年代以来,大爆炸宇宙模型逐渐被广泛接受,以至被天文学家称为“标准模型”。
多普勒-斐索效应还使科学家们想到,用这个原理测量距地球任意远的天体相对于地球的运动速度:将地球上测得的某种原子发光频率作为波源频率,再测得星体上同一种原子的发光频率作为观测频率,根据这两种频率的差别(红移或蓝移)就可以算出星体相对于地球的运动速度。1868年,英国天文学家W·哈金斯用这种办法算出天狼星的视向速度(即物体远离我们而去的速度)为46千米/秒。
三、电磁波的多普勒效应及运用
电磁波同样存在多普勒效应。但电磁波与声波不同:一是声速远小于光速,不需要考虑相对论效应,但电磁波在真空传播时,无论相对于波源、还是相对于观察者,波速都等于光速
c=3.0×10^8m/s;二是电磁波的传播并不需要介质,因此对于电磁波而言,波源和观察者相对于介质的速度是没有意义的,有意义的只是波源和观察者之间的相对速度。
设电磁波源与观察者在同一直线上相对于观察者运动的速度为v,则电磁波的多普勒效应公式为f'=f[(1-v/c)/(1+v/c)]^0.5,只要能够测得波源频率和观察频率,便可以求出波源相对于观察者的速度。
四、宇宙学研究中多普勒效应及其应用
1957年,原苏联发射了人类历史个第一颗人造地球卫星,美国科学家在对其跟踪研究中发现,当卫星飞向他们的无线电接收机时,收到的电波信号频率增大;卫星离去时,收到的电波信号频率减小,这就是电磁波的多普勒效应。根据电磁波的多普勒效应,在卫星通过无线电接收机上空期间,利用测定的各个电波信号的频率变化量,就可以确定卫星的整个轨道。后来,另一位科学家逆向思维,提出了一个相反的想法:如果事先知道卫星的精确轨道,根据电磁波的多普勒效应,就可以确定无线电接收机的位置。这个设想很快被美国有关部门采用,天上的“交通警察”——多普勒卫星导航定位系统应运而生。
多普勒卫星导航定位系统,在军用和民用过程中取得了极大成功,是导航定位史上的一次飞跃。但由于多普勒卫星轨道高度低、信号载波频率低,难以满足精确测量的需要。为了提高精度,美国从1973年开始筹建全球定位系统(GPS)。在经过
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论证、系统试验阶段后,于1989年开始发射正式工作卫星,并于1994年全部建成、投入使用。
GPS系统包括24颗人造卫星,每12小时绕地球1圈,每个卫星都能发出包含其位置、时间数据编码的信号,精确度可达10^-9秒,这些卫星按照一定方式排列,使地球上任何一点都至少能同时接收到4颗卫星发出的信号,无论地球的任何地方、任何时候、任何天气条件,地面接收者都可以通过解读这些信号准确定出自己所处的位置。
五、多普勒气象学中的应用
多普勒气象雷达是目前世界上最先进的气象雷达,广泛用于气象、民航等部门。它根据其发射的电磁波与云雨区回波信号的强弱测定降水强度,利用返回信号因多普勒效应产生的频率
变化,测定云雨中降水微粒的移动速度。由于雷达天线可在不同的角度上作水平旋转,因此可测定三维立体空间中云雨区分布和云雨区中降水微粒的相对移动,这对研究降水的形成,分析中、小尺度天气系统,预报强对流天气具有重要意义。我国从1998年开始在江西南昌、赣州、吉安,广东番禺、湖北宜昌等地建成多普勒气象雷达站,大大提高了短时天气预报,特别是突发性、灾害性、强对流天气预报的准确率,增强了我国气象灾害监测、预警能力。现在,交通警察常用测速雷达测量汽车的速度,判断汽车是否超速,其原理就是利用红外线的多普勒效应。
六、多普勒效应在医学上的应用
声波的多普勒效应可以用于医学的诊断,也就是我们平常说的彩超。频率在2000Hz以上的声波即为超声波。超声波在传播过程中要发生反射,折射以及多普勒效应等。超声波在介质中传播时,发生声能衰减。因此超声通过一些实质性器官,会发生形态及强度各异的反射。声束通过肿瘤组织,声能的吸收和衰减现象也比较明显。由于人体组织器官的生理,病理,解剖情况的不同,对超声波的反射,折射和吸收衰减各不相同。超声诊断就是根据这些反射信号的多少,强弱,分布规律来判断各种疾病。医用诊断超声波的发生与接收,均由特制的探头来完成,它能把电能和声能互相转换。声检查法(简称A超),B型超声诊断(简称B 超),M型超声诊断以及用于检测人体心脏功能的超声心动图,超声多普勒诊断(也叫D型超声诊断)等等,对于疾病诊断带来了方便和科学依据。
我们主要说说超声频移诊断法,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”。
参考文献
【1】《南阳师范学院学报》2006年第06期作者:刘广生;李慧;
【2】豆丁网
【3】现代物理技术[M].北京:国防工业出版社,2002。作者:马延均。
【4】百度文库
【5】超声治疗学[M].北京:中国医药出版社,1994。作者:冯若,汪荫棠。
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