多普勒效应是生活中很常见,应用也非常广泛的一种物理现象。比如我们常说的彩超,全称是“超声彩色多普勒“,就是利用超声波的多普勒效应探测人体内的情况,并且进行彩色成像。多普勒效应也是所有国际高中物理课程的重要考点之一。那么我们该怎么更好地理解多普勒效应呢?多普勒效应在实际生活中还有什么应用的例子,原理又是什么呢?
01什么是多普勒效应Doppler effect
多普勒效应,指的是因为观测者和波源之间的相对移动,导致观测到的波信号频率、强度发生改变的情况。生活中比较明显的例子就是当车开向你的时候,听到的车声会比较响亮刺耳。而当车远离你的时候,听到的声音就会比较小比较弱。
02多普勒效应的原理Doppler effect
我们可以想象自己在片山头起伏的丘陵之中赶路。正常的赶路速度下,我们会以一个相对比较固定的速度通过一座座山头。而当我们加速的时候,这时候单位时间内经过的山头数量就会增加。当我们减速的时候,单位时间内经过的山头数量就会减少。 而当观测者面对波的时候,发生的情况也很相似。
波是由波峰和波谷组成的,就像一个个“山头”和“山谷”。当观测者和波源相对静止时,这时候观测者和波的相对速度就是波速,对应正常赶路的情况。当观测者靠近波源时,这时候观测者和波的相对速度大于波速,对应加速赶路的情况。而当观测者远离波源时,如果远离的速度小于波速,那么这时候观测者和波的相对速度小于波速,对应减速赶路的情况。
有趣的是,如果观测者远离波源的速度大于波速,那观测者就会不断追上更早之前发出的波,对应的就是“倒车”开回去的情况了。
03多普勒效应的关键公式Doppler effect
类似于基本的相向而行的计算,我们可以基于相对运动速度的变化,给出多普勒效应导致的声音频率改变的公式:
其中,v为波速, v0为观测者靠近的速度, vs为波源靠近的速度,远离则都选为负值。所有的多普勒效应的题目,都是应用这一核心公式进行求解的。 感兴趣的同学可以试试自己利用相对运动的概念,推到一下上面的加深公式,帮助自己理解。