Эффект Доплера, или как обмануть мозг человека?
Вы наверняка, хотя бы раз в жизни, попадали в такую ситуацию — Вам срочно нужно перейти на другую сторону оживленной трассы! Однако, поскольку до пешеходного перехода нужно идти целых 20 метров, Вы начинаете переходить дорогу прямо там, где Вас застигла эта острая необходимость. Конечно же, Вы внимательно смотрите по сторонам, чтобы не угодить под колеса движущегося транспорта. И вот Ваш цепкий глаз определяет, что до очередной машины достаточно расстояния, чтобы перебежать дорогу. Конечно же, при этом Ваш весьма развитый мозг оценивает не только расстояние до ближайшей машины. Но и скорость, с которой она движется. И дает отмашку — можно!
Эффект Доплера в действии
Вы смело ставите левый сандалик на разогретый асфальт. И уже собираете поставить впереди него второй… но вдруг понимаете, что подлая машина по каким-то неизвестным причинам начала ускоряться. Вы внезапно осознали это, поскольку высота звука, который она издает, начинает увеличиваться! Похоже, что водитель решил помочь эволюции жизни на Земле. И использовать ее основной инструмент — естественный отбор. Чтобы избавить всех Ваших потомков, имеющих ген непутевого пешехода, от появления на этой чудесной планете.😁
Однако водитель в данной ситуации совершенно не виноват. И его автомобиль — тоже. Поздравляю! Вы только что испытали психоакустический трюк под названием «эффект Доплера». Впервые его описал Кристиан Андреас Доплер.
Этот ученый однажды заметил, что высота звука, исходящего от движущегося источника меняется для неподвижного наблюдателя. И задался вопросом — а почему же возникает столь странный эффект? В те годы ученым уже было довольно много известно о свойствах акустических и электромагнитных волн. Они знали, что все волны имеют такую характеристику, как частота. Доплер предположил, что частота волн, испускаемых приближающимся объектом увеличивается потому, что каждый последующий гребень волны оказывается к наблюдателю немного ближе в момент своего испускания. Поэтому ему требуется меньше времени, чтоб достичь, например, Вашего уха. Доплер предложил применить это открытие астрономам. Он предположил, что цвет света, исходящего от звезд, тоже должен меняться в зависимости от скорости звезды относительно Земли.
Направление изменения высоты частот зависит от особенностей движения этого объекта. Когда объект приближается к наблюдателю, звук повышается. Затем по мере того, как объект удаляется, частота звука падает. Если объект неподвижен, звук имеет постоянную частоту. Лишь движение вызывает вышеописанный психоакустический эффект.
Вселенная расширяется
Итак, давайте вернемся к теоретической машине, едущей по проезжей части улице прямо на незадачливого пешехода. По мере того, как машина приближается, акустические волны собираются его ухом. И они имеют все большую частоту. И по мере увеличения частоты пешеходу все больше и больше кажется, что автомобиль ускоряется. Он резко отпрыгивает назад и падает в канаву. Один из сандалей отлетает, и по пологой траектории перелетает дорогу. Где успешно попадает прямо в голову продавцу кваса, сидящему рядом с огромной бочкой желтого цвета.
Однако когда машина проезжает мимо, и быстро уезжает вдаль, волны и не думают прекращать распространяться. И, о чудо, их частота начинает понижаться! Опять искажая наше восприятие звука. Еще раз. Все это происходит не в объективной реальности. Звук, издаваемый машиной, никак не меняется. Меняется его восприятие нашим мозгом!
Сегодня ученые используют эффект Доплера при изучении движения звезд. И именно с его помощью, кстати, они узнали, что наша Вселенная расширяется.
Итак, как это выглядит на практике? Если какая-то звезда движется по направлению к Земле, кажется, что она излучает свет с меньшей длиной волны, чем источник света, который не движется. Это называется синим смещением. Так происходит потому, что уменьшение длины волны соответствуют смещению частоты в сторону синей чести спектра. И наоборот, частота излучения от звезды, удаляющейся от нас, как нам кажется, смещается в сторону более длинных волн. То есть к красной части спектра. Поэтому астрономы называют это явление красным смещением.
Источник
Презентация на тему «Эффект Доплера и обнаружение «разбегания» галактик»
Описание презентации по отдельным слайдам:
Описание слайда:
Эффект Доплера и обнаружение «разбегания» галактик
Телицина Анна, 133 группа
Описание слайда:
Эффект Доплера
Изменение частоты волн, регистрируемых приемником, которое происходит вследствие движения источника этих волн и приемника. Источник, двигаясь к приемнику, как бы сжимает пружину – волну. Данный эффект наблюдается при распространении звуковых волн (акустический эффект) и электромагнитных волн (оптический эффект).
Описание слайда:
Сущность явления
Эффект Доплера легко наблюдать на практике, когда мимо наблюдателя проезжает машина с включённой сиреной. Предположим, сирена выдаёт какой-то определённый тон, и он не меняется. Когда машина не движется относительно наблюдателя, тогда он слышит именно тот тон, который издаёт сирена. Но если машина будет приближаться к наблюдателю, то частота звуковых волн увеличится, и наблюдатель услышит более высокий тон, чем на самом деле издаёт сирена. В тот момент, когда машина будет проезжать мимо наблюдателя, он услышит тот самый тон, который на самом деле издаёт сирена. А когда машина проедет дальше и будет уже отдаляться, а не приближаться, то наблюдатель услышит более низкий тон, вследствие меньшей частоты звуковых волн.
Описание слайда:
Для волн (например, звука) , распространяющихся в какой-либо среде, нужно принимать во внимание движение как источника, так и приёмника волн относительно этой среды. Для электромагнитных волн (например, света), для распространения которых не нужна никакая среда, в вакууме имеет значение только относительное движение источника и приёмника. Также важен случай, когда в среде движется заряженная частица с релятивистской скоростью. В этом случае в лабораторной системе регистрируется черенковское излучение, имеющее непосредственное отношение к эффекту Доплера.
Описание слайда:
«Разбегание» Галактики
Красное смещение, обусловленное эффектом Доплера, возникает в том случае, когда движение источника света относительно наблюдателя приводит к увеличению расстояния между ними. В релятивистском случае, когда скорость движения источника сравнима со скоростью света, красное смещение может возникнуть и в том случае, если расстояние между движущимся источником и приёмником не изменяется (поперечный эффект Доплера). Красное смещение, возникающее при этом, интерпретируется как результат релятивистского «замедления» времени на источнике по отношению к наблюдателю. Гравитационное красное смещение возникает, когда приёмник света находится в области с меньшим (по модулю) гравитационным потенциалом, чем источник. В классической интерпретации этого эффекта фотоны теряют часть энергии на преодоление сил гравитации. В результате характеризующая фотон частота уменьшается, а длина волны излучения растёт. Примером гравитационного красного смещения может служить наблюдаемое смещение линий в спектрах плотных звёзд – белых карликов. Наибольшие красные смещения наблюдаются в спектрах далёких внегалактических объектов — галактик и квазаров — и интерпретируются как следствие расширения Вселенной.
Описание слайда:
При проведении спектральных исследований (в 1912 году) спиральных и эллиптических «туманностей» ожидалось, что если они действительно расположены за пределами нашей Галактики, то они не участвуют в её вращении и поэтому их лучевые скорости будут свидетельствовать о движении Солнца. Ожидалось, что эти скорости будут порядка 200 – 300 км/с, т. е. будут соответствовать скорости движения Солнца вокруг центра Галактики. Однако лучевые скорости Галактик оказались гораздо больше, они составляли от 1200 км/с до 60900 км/с. В 1929 году Э. Хаббл уже имел возможность сопоставить скорость движения галактики V с расстоянием до неё r для 36 объектов. Оказалось, что эти две величины связаны условием прямой пропорциональности:
V= Hr
Описание слайда:
Это выражение получило название закона Хаббла, а постоянная H — постоянной Хаббла. Её численное значение Хаббл в 1929 году определил в 500 км/(с*Мпк). Однако он ошибся. После многократных исправлений и уточнений этих расстояний значение постоянной Хаббла сейчас принимается равным 50 км/(с*Мпк). Закон Хаббла используется для определения расстояний до далёких галактик и квазаров. Если галактики разбегаются, то это значит, что раньше они были ближе друг к другу, иначе вся Вселенная вообще была сжата если не в точку, то в нечто очень маленькое, а потом последовал «большой взрыв». Зная скорость разбегания галактик после «большого взрыва», можно подсчитать и время, которое прошло со времени «взрыва». Проблема подсчёта этого времени не так уж и проста. Несмотря на очень сложные подсчеты никто до сих пор точного ответа не дал, однако в общем учёные сходятся на времени от 13 до 20 миллиардов лет.
Описание слайда:
Спасибо за внимание!
Если Вы считаете, что материал нарушает авторские права либо по каким-то другим причинам должен быть удален с сайта, Вы можете оставить жалобу на материал.
Источник
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.
Кстати! Для наших читателей сейчас действует скидка 10% на любой вид работы
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