大学物理(10.6.2)--多普勒效应
物理教案多普勒效应
物理教案: 多普勒效应1. 引言多普勒效应是物理学中一个重要的现象，揭示了波的频率与观察者运动速度之间的关系。
它广泛应用于各个领域，例如天文学、气象学和交通工程等。
本文档将介绍多普勒效应的基本概念、公式推导以及实际应用。
2. 多普勒效应的基本概念多普勒效应是指当波源和观察者相对运动时，观察者所观测到的波的频率与波源频率之间的变化现象。
根据运动方向和速度的不同，多普勒效应可以分为多普勒增大效应和多普勒减小效应。
2.1 多普勒增大效应当波源和观察者相向运动时，观察者所测得的波的频率比波源的频率要大。
这是因为波源的波长相对观察者来说变得更短，所以观察者在单位时间内接收到的波的数量增加，频率也就增大了。
2.2 多普勒减小效应当波源和观察者背离运动时，观察者所测得的波的频率则比波源的频率要小。
这是因为波源的波长相对观察者来说变得更长，所以观察者在单位时间内接收到的波的数量减少，频率也就减小了。
3. 多普勒效应的公式推导多普勒效应可以通过数学推导来描述。
设波源频率为f，观察者运动速度为v，速度的方向与波的传播方向关系如下：•当波源和观察者相向运动时，观察者所测得的频率f’ 可以通过以下公式计算：f' = f * (v + v₀) / (v - vₛ)其中，v₀ 为观察者静止时的速度，vₛ 为波源静止时的速度。
•当波源和观察者背离运动时，观察者所测得的频率f’ 可以通过以下公式计算：f' = f * (v - v₀) / (v + vₛ)通过这些公式可以计算出观察者所测得的频率，从而进一步分析多普勒效应的特点和规律。
4. 实际应用多普勒效应在现实生活中有着广泛的应用。
以下为一些典型的应用场景：4.1 天文学多普勒效应在天文学中被广泛应用于测量星体的运动速度和距离。
通过观察恒星或星系的频率变化，可以推导出它们相对于地球的运动速度。
4.2 气象学多普勒雷达可以通过测量气象物体（如降雨）反射回的微波频率变化来判断降雨的速度和方向。
大物实验报告-多普勒效应
大物实验报告多普勒效应实验4.12 多普勒效应实验报告一、实验目的与实验仪器实验目的1、了解多普勒效应原理，并研究相对运动的速度与接收到频率之间的关系。
2、利用多普勒效应，研究做变速运动的物体其运动速度随时间的变化关系，以及其机械能转化的规律。
实验仪器ZKY-DPL-3 多普勒效应综合实验仪、电子天平、钩码等。
二、实验原理（要求与提示：限400字以内，实验原理图须用手绘后贴图的方式）声波的多普勒效应假设一个点声源的振动在各向同性且均匀的介质中传播，当声源相对于介质静止不动时，各个波面可以组成个同心圆，声波的频率f0、波长λ0以及波速u0表示为f0=u0/λ0现将接收器测得的声波频率、波长和波速分别称为观测频率、观测波长和观测波速，并分别记为f、λ、u，可表示为f=u/λ当接收器以一定的速度向声源运动时，接收器所测得的各个球面波的观测波长λ仍等于λ0,测得的观测波速u 变为u0+v0，因此有f=(u0+v0)/λ0f=(1+v/u0)*f0式中，v0表示声源相对介质静止时，接收器与声源的相对运动速率，接收器朝向声源运动为正值，反之为负值。
同样地，如果接收器相对于介质静止，而声源以速率v’朝向接收器运动，此时接收器所测得的观测波长为λ'可表示为(u0-v')*T,其中，T为声源的振动周期。
同时，由于接收器相对于介质处于静止状态，其测得的观测波速u'仍等于u0，则接收器测得的观测频率为f'=u’/λ’=u0*f0/(u0-v’)对于更为普遍的情况，当声源与接收器之间的相对运动如图所示时，可以得到接收器的观测频率f为f=f0*(u0+v1*cosθ1)/(u0-v2*cosθ2)此式是具有普适性的多普勒效应公式。
三、实验步骤（要求与提示：限400字以内）1、超声的多普勒效应1.1 连接好实验仪器，使滑车牵引绳绕过滑轮与滑车驱动电动机后两端与滑车的前后端相连，并调整好滑车牵引绳的松紧。
10-6 多普勒效应
b
u'
' 接收频率v ——单位时间内观测者接
收到的完整波的数目。
第十章 波动
v'
'
3
物理学
第五版
10-6
多普勒效应
一 波源不动，观察者相对介质运动
由于观察者向波源运动，单位时间内接受到的 完整波数增加。
第十章 波动
4
Hale Waihona Puke 物理学第五版10-6
多普勒效应
若观察者以速度 v0向着波源运动
观察者测得波长 b
第五版
10-6
多普勒效应
四 多普勒效应的应用
医学应用：
全数字化彩色超声波诊 断仪 : 超声能向一定方向 传播，而且可以穿透物体， 如果碰到障碍，就会产生 回声，不相同的障碍物就 会产生不相同的回声，人 们通过仪器将这种回声收 集并显示在屏幕上，可以 用来了解物体的内部结构。
11
第十章 波动
物理学
(u vs )T u vs
vs
S
u
观察者测得频率 u
u
u vs
vsT
波源靠近
u u vs u u vs
频率升高
vsT
x
波源远离
频率降低
第十章 波动
uT
8
物理学
第五版
10-6
多普勒效应
三 波源和观察者同时相对于介质运动
第五版
10-6 气象预警的应用
多普勒天气雷达 ：雷达向 空中发射脉冲式电磁波，当遇到 云雨颗粒等大分子物质如水滴， 冰雹等就会向发生散射效果，被 散射的部分波信号返回到多普勒 天气雷达并被接受，然后推算出 目标的空间位置和移动信息。这 些信息除了探测云和降水回波的 位置和强度外，还可以测定散射 体相对于雷达的径向速度。
10.6.1多普勒效应 - 多普勒效应
当波源和接收器在同一直线上相对运动时
o
1 1
v/c
v/c
s
（相互接近）
o
1 1
v/c
v/c
s
（相互远离）
七、多普勒效应
3. 多普勒效应的应用
交通上测量车速； 多普勒超声诊断； 医学上用于测量血流速度（多普勒血流计）； 卫星跟踪系统； 多普勒声纳定位； 天文学家利用光波红移说明“大爆炸”理论。
七、多普勒效应
3. 多普勒效应的应用
E. Hubble 1889-1953
The universe is expanding!!!!!!
例2 一观察者站在铁路附近，听到迎面开来的一列
火车汽笛声频率为 440Hz，而火车开过身旁后，汽笛声 频率降为 392Hz ，设空气中的声速为 u 330m s1
安装在一起的接收器接收到从汽车反射回来的波的频率
为" 110kHz . 已知空气中的声速为 u 330m s1，
求车速 .
v0
今日作业
10－24，10－27， 10－28，10―29
观察者接收频率 ' ——观察者单位时间内接收到
的振动次数或完整波形的数目.
波的频—率— b介质中的质点在单位时间内的振动
次数（或单位时间内通过介质中某点的完整波
的数目）.
b
u
b
——介质中的波速 ——介质中的波长
七、多普勒效应
（2）分析三种简单的多普勒效应
① 波源不动，观察者相对介质以速度 v0 运动
观察者 接收的频率
观察者向波源运动 ' u vo
u
观察者远离波源 ' u vo
10-6 多普勒效应
10-6 多普勒效应
一 波源不动，观察者相对介质以速度 v0 运动
波动
观察者接 收的频率
u vo fR fS u
观察者向波源运动 v0取“+” 观察者远离波源 v0取 “-”
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10-6 多普勒效应
二 观察者不动，波源相对介质以速度 vS 运动
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波动
ut
P1
P2
vs t
波动
( vs , vo )
vS : 波源向观察者运动取＋ ，远离取 －.
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10-6 多普勒效应
四 电磁波的多普勒效应
∵ 电磁波的传播不依赖于介质
波动
∴ 波源S和接收器R之间的相对速度 v 决定 接收频率 fR
cv fR fs cv
10-6 多普勒效应
讨论
波动
人耳听到的声音的频率与声源的频率相同吗？
发射频率 f s
fs f R ?
接收频率
fR
只有波源与观察者相对静止时才相等.
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10-6 多普勒效应
多普勒效应： 观察者接受到的频率有赖于波源或观察者运动的现象
波动
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10-6 多普勒效应
波动
s
ห้องสมุดไป่ตู้b
大学物理第6章第5节-多普勒效应
解 发送信号阶段 ~ 波源: 测速仪 vS 0 , 波源 u vS 0 v 观察者: 汽车 b , 波源频率: 150kHz, 观察者 (汽车) 观察频率: b , 波速: u 340m s. 相向运动
v b 观察者
u vb u vb u vb b b u vS u u0
6.5 多普勒效应
多普勒效应 波源与观察者存在相对运动时, 观察者 观察到波的频率与两者都静止时观察到的 频率不同的现象.
vS , v
u, v 0 ( v )
~
vb , v b
S
b
u vb b u vS
b : 观察者观察到的频率;
: 波源或介质的波动频率;
u : 波的传播速度;
(2) 观察者静止
u vb u vb 0 b b u vS u vS
例 6.7 为了行车安全, 每条公路都会设 有限速. 现有一条限速为 70 km h , 利用多普 勒效应制成静止测速仪监测汽车行驶的速 度, 测速仪发出频率为150kHz 的超声波, 一 辆汽车迎着波源驶来时, 与测速仪安装在一 起的接收器接收到从汽车反射回来的超声 波的频率为170kHz , 已知空气中声速为 340 m s , 问汽车行驶的速度是否超速.
v b : 观察者运动的速度; v S : 波源运动的速度.
说明: 没有用课本上的公式 (正负符号)
速度取正负的规 定 (1) u 恒取正值; (2) 观察者与波源相向运动时, vb , vS 取 正值; (3) 观察者与波源相背运动时, vb , vS 取 负值.
(1) 波源静止
u vb u vb vS 0 b b u vS u
大学物理学第十六章第八节(多普勒效应)
实验步骤
将声源和接收器固定在相对位置，使 声源发出连续的声波，接收器接收声 波并转换为电信号，通过测量仪器记 录信号频率。
光波多普勒效应的实验
01
实验设备
光源、干涉仪、测量仪器（如光谱分析仪）
02 03
实验步骤
将光源发出的光波通过干涉仪分束，一束作为参考光，另一束作为信号 光，信号光照射到运动物体上反射回来后与参考光干涉，通过测量仪器 记录干涉条纹的变化。
实验结果
当运动物体靠近或远离光源时，干涉条纹会发生变化，表现为多普勒效 应。
实验结果分析
分析多普勒效应的规律
通过实验数据，分析多普勒效应的规律，包括频率变化与相对速 度之间的关系、波长与频率之间的关系等。
验证理论模型
将实验结果与理论模型进行比较，验证理论模型的正确性和适用范 围。
应用拓展
探讨多普勒效应在生产生活中的应用，如雷达测速、医学超声成像 等。
对未来学习的规划
深入研究多普勒效应
计划进一步深入学习多普勒效应的相关知识，了解其在不同领域 的应用。
探索物理学的其他领域
计划探索物理学其他领域的知识，如电磁学、光学等，以拓宽知识 面。
提高解决实际问题的能力
计划通过解决实际问题，提高运用物理知识解决实际问题的能力。
THANKS
感谢观看
05
结论
本节内容的总结
多普勒效应的定义
01
多普勒效应是指波源和观察者之间有相对运动时，观察者接收
到的波长会发生变化的现象。
多普勒效应的原理
02
当波源和观察者之间有相对运动时，观察者接收到的波的频率
会发生变化，这种现象称为多普勒效应。
多普勒效应的应用
03
(完整版)光的多普勒效应
光的多普勒效应关键字：纵向多普勒效用、多普勒频移、激光流速仪、惯性坐标系一、多普勒效应多普勒效应就是，当声音、光和无线电波等振动源与观测者以相对速度V相对运动时，观测者所收到的振动频率与振动源所发出的频率有所不同。
因为这一现象是奥地利科学家多普勒最早发现的，所以称之为多普勒效应。
由多普勒效应所形成的频率变化叫做多普勒频移，它与相对速度V成正比，与振动的频率成反比。
二、多普勒测速原理用波照射运动着的物体,运动物体反射或散射波,由于存在多普勒效应,反射或散射波将产生多普勒频移,利用产生频移的波与本振波进行混频再经过适当的电子电路处理即可得到运动物体的运动速度。
我们假设多普勒测速仪静止,运动物体的运动速度为v,运动物体的运动方向与多普勒测速仪的测速方向在同一直线上，为了得到多普勒测速仪所接收到的由于存在多普勒效应而频移的声波频率与运动物体运动速度之间的关系,1、声波测速第一步,多普勒测速仪发射声波,运动物体接收到其所发射的声波.在这个过程中,多普勒测速仪作为波源是静止的,而运动物体作为波接收器以速度v运动.设多普勒测速仪所发射的声波频率为f,运动物体所接收到的声波频率为f′,声波的传播速度为v0,观测者相对于介质的运动速度vr。
可得：第二步,运动物体反射或散射声波,多普勒测速仪接收到其所反射或散射的声波.在这个过程中,运动物体作为波源以速度v运动,而多普勒测速仪作为波接收器静止.设多普勒测速仪接收到的声波频率为f″,由第一步我们知道,运动物体所反射或散射的声波频率为f′,于是可得：代入可得：即为被测物体的运动速度v与多普勒测速仪所发射的声波频率f、多普勒测速仪所接收到的由于存在多普勒效应而频移的声波频率f″以及声波的传播速度v0之间的关系2、光波测速1、声波测速第一步,多普勒测速仪发射声波,运动物体接收到其所发射的声波.在这个过程中,多普勒测速仪作为波源是静止的,而运动物体作为波接收器以速度v运动.设多普勒测速仪所发射的声波频率为f,运动物体所接收到的声波频率为f′,声波的传播速度为v0,观测者相对于介质的运动速度vr。
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多普勒效应 : 当波源和接收器有相对运动时 , 接收 器所测得的频率不等于波源振动频率的现象
1
问题 人耳听到的声音的频率与声 源的频率相同吗？
s ?
发射频率s
接收频率
2
3
4
接收频率——单位时间内观测者接 收到的振动次数或完整波数 .
s ?
发 射 频 率 s
解
( 1)
车为接收器 '
u
u
v0
( 2)
车为波源 "
u
u
vs
'
v0 u u vs
车速
v0
vs
Байду номын сангаас
" "
u
56.8
km h 1
v0
24
例 3 利用多普勒效应测飞行的高度 . 飞机在上空以速度 vS=200m·s-1 沿水平直 线飞行 , 发出频率为 0=2000kHz 的声波 . 当飞机越过静止于地面的观察者上空时 , 观 察者在 4s 内测出的频率由 1=2400kHz 降 为 2=1600kHz . 已知声波在空气中的速度 为 u=330m·s-1 . 试求飞机的飞行高度 h.
'
u u
v'0 v's
v's
vs
vo
v'o
13
多普勒效应的应 用
(1) 交通上测量车速； (2) 医学上用于测量血流速度； (3) 天文学家利用电磁波红移说明大爆炸理论； (4) 用于贵重物品、机密室的防盗系统；
(5) 卫星跟踪系统等 .
14
多普勒声纳
15
多普勒测速
16
17
多普勒雷达
18
超声多普勒效应测血流流速
19
例 1 A 、 B 为两个汽笛，其频率皆为 500 Hz
， A 静止， B 以 60m·s-1 的速率向右运动 .
在两个汽笛之间有一观察者 O ，以 30m·s-1
的速度也向右运动 . 已知空气中的声速为
3(13)0观m·察s者-1 ,听求到：来自 A 的频率；
(2) 观察者听到来自 B 的频率 (；3) 观察者听到的拍频 . vO
25
已知 vs
1
200 m s1 0 2 000 Hz
2 400 Hz 2 1 600 Hz u 330
m s1
求
h
解 如图，飞机在 4s 内经过的距离为 AB
AB vst h(cot cot )
v AC vs cos
A )
vs
vBC vs cos
( B
h
C
26
1
u
u vAC
0
u
u vs cos
0
2
u
u vBC
0
u
u
vs cos
0
cos 1 0 u 0.275 cos 0 2 u 0.413
1 s
2 s
h
st cot cot
st
cos cos
1 cos2
1 cos2
1.08 103 m 27
接收频率
只有波源与观察者相对静止时才相 5
一 波源不动 , 观察者相对介质以 vO 运动
6
观察者 接收的 频率
观察者向波源运动
'
u
v0 u
观察者远离波源运动
'
u
v0 u
7
二 观察者不动 , 波源相对介质以 vS 运动
8
9
T'
vsT u
b
u
s s'
vsT
T
u
A
b
'
1 T'
u vsT
频 7 Hz
v O
v sB
AO
B
22
例 2 利用多普勒效应监测车速，固定波源发 出频率为 =100kHz 的超声波，当汽车向波源 行驶时，与波源安装在一起的接收器接收到从汽 车反射回来的波的频率为 〞 =110kHz . 已知空 气中的声速 330m·s-1 ， 求车速 .
v0
23
u
u vs
10
观
'
u
u vs
波源向观察者运
察 者
'
u
u vs
动 波源远离观察者运
接
动
收
s s'
A
的
频
vsT
b
率
11
三 波源与观察者同时相对介质运 (vs , v0 )
动
'
u u
v0 vs
v0 观察者向波源运动 +
远离 vs 波源向观察者运动 -
远离 +
12
若波源与观察者不沿二者连线运动
v sB
AO
B
20
解 (1) 已知
u 330 m s-1, vsA 0, vsB 60 m s-1
'
u u
v0 vs
'
330 30 330
500
454.5
Hz
v O
v sB
AO
B
21
(2) 观察者听到来自 B 的频
率
330 330
30 60
500
461.5
Hz
(3) 观察者听到的拍