多普勒效应及应用
多普勒效应的应用
多普勒效应的应用
多普勒效应是指当波源和观察者相对运动时，观察者所接
收到的波的频率发生变化的现象。
多普勒效应的应用十分
广泛，下面列举一些常见的应用场景：
1. 天文学：多普勒效应用于天文学中，可以测量星体的运
动速度和远离或靠近地球的速度。
2. 超声波成像：医学上常用超声波成像设备，利用多普勒
效应可以测量血流速度，用于检测血管狭窄和心脏病等疾病。
3. 雷达测速仪：交通警察使用雷达测速仪测量车辆的速度。
通过测量接收到的车辆发射的无线电波的频率变化，即可
得出车辆的速度。
4. 太阳系的远距离测量：科学家利用多普勒效应测量太阳
系中行星的运动速度和距离。
5. 银行滞留款式识别：将红外传感器放置在自动提款机(ATM)网格上方，可以通过检测人员接近时红外波的频率变化，来判断用户是否具有正当使用ATM的权限，以不同频率变化代表是否试图伪造卡片密码或干扰机器进行恶意攻击。
总之，多普勒效应在天文学、医学、交通管理等领域都有重要的应用，它为我们提供了测量和判断物体运动速度的重要手段。
多普勒效应及其应用
多普勒效应及其应用1. 简介多普勒效应（Doppler Effect）是指当观察者和发射源相对运动时，观察者接收到的波的频率会发生变化的现象。
这个现象最早由奥地利物理学家克里斯琴·多普勒（Christian Doppler）在1842年提出。
多普勒效应不仅在物理学中有着广泛的应用，还涉及到声学、光学、无线电波等多个领域。
2. 多普勒效应的原理2.1 基本原理多普勒效应分为两种：一种是波源相对于观察者运动，另一种是观察者相对于波源运动。
根据这两种情况，多普勒效应又可以分为两种类型：正多普勒效应和负多普勒效应。
当波源相对于观察者远离时，观察者接收到的波的频率会变低，这种现象称为负多普勒效应；当波源相对于观察者靠近时，观察者接收到的波的频率会变高，这种现象称为正多普勒效应。
2.2 数学表达多普勒效应的数学表达式为：[ f’ = f ]•( f’ ) 是观察者接收到的波的频率；•( f ) 是波源发出的原始频率；•( v ) 是波在介质中的传播速度；•( v_0 ) 是观察者和波源之间的相对速度；•( v_s ) 是波源相对于介质的运动速度。
当观察者和波源相向而行时，取加号；当观察者和波源远离时，取减号。
3. 多普勒效应的应用3.1 声学在声学中，多普勒效应广泛应用于测量物体的速度和距离。
例如，多普勒雷达就是利用多普勒效应测量物体速度的一种装置。
它通过发射一定频率的雷达波，然后接收反射回来的雷达波，根据接收到的频率变化来计算物体的速度。
此外，多普勒效应在医学领域也有重要应用。
例如，多普勒超声波就是利用多普勒效应来检测血流速度的一种技术。
通过检测血流速度，可以判断出是否存在血栓、血管狭窄等疾病。
3.2 光学在光学中，多普勒效应的应用主要有激光雷达和光纤通信等方面。
激光雷达利用多普勒效应来测量目标物体的速度和距离，广泛应用于自动驾驶、无人机等领域。
光纤通信中，多普勒效应会导致光信号的相位变化，从而影响信号的传输质量。
多普勒效应生活中的例子
多普勒效应生活中的例子多普勒效应是一种物理现象，它描述了当一个物体在运动时，它所发出的声波或电磁波的频率会发生变化。
这种现象在我们的日常生活中随处可见，下面是一些例子：1. 警笛声：当警车向我们靠近时，警笛声的频率会变高，当警车远离我们时，警笛声的频率会变低。
这是因为警车的运动引起了声波的多普勒效应。
2. 雷达测速：雷达测速仪利用多普勒效应来测量车辆的速度。
当雷达向车辆发射电磁波时，车辆的运动会导致电磁波的频率发生变化，从而可以计算出车辆的速度。
3. 天文学：天文学家利用多普勒效应来测量星系和星际物质的速度。
当星系或星际物质向我们靠近时，它们所发出的光的频率会变高，当它们远离我们时，光的频率会变低。
4. 航空飞行：当飞机向地面靠近时，它所发出的声波的频率会变高，当飞机远离地面时，声波的频率会变低。
这种现象对于飞行员来说非常重要，因为它可以帮助他们判断飞机的高度和速度。
5. 超声波检测：医生利用多普勒效应来检测胎儿的心跳和血流速度。
当超声波穿过人体组织时，它们会受到组织的运动影响，从而产生多普勒效应。
6. 气象学：气象学家利用多普勒雷达来测量风速和降雨量。
当雷达向降雨区域发射电磁波时，降雨的运动会导致电磁波的频率发生变化，从而可以计算出降雨的速度和量。
7. 汽车制动器：当汽车制动时，制动器会产生高频率的振动，这种振动会引起声波的多普勒效应，从而产生刺耳的噪音。
8. 音乐演奏：当乐器演奏者向听众靠近时，乐器所发出的声波的频率会变高，当演奏者远离听众时，声波的频率会变低。
这种现象对于乐器演奏者来说非常重要，因为它可以帮助他们控制音乐的节奏和速度。
9. 交通信号灯：当交通信号灯向车辆发出红色或绿色的光时，光的频率会保持不变。
但是当交通信号灯向车辆发出黄色的光时，光的频率会发生变化，从而提醒驾驶员注意减速。
10. 电视和无线电广播：当电视或无线电广播信号穿过大气层时，它们会受到大气层的运动影响，从而产生多普勒效应。
多普勒效应及应用
在 (vp vA)t距离内的波都被观察者所接收
又 f(vpvA)/b
为介质中的波长
b
vp
b
vp f
S
v0 P
vAt
vpt
即：
fvp vA vpvA f
b
vp
观察者远离波源运动时
vAt
P
S
vA
v pt
设观察者在点 P 远离波源S运动, 速度仍 为 vA ,则 dt 时间内观察者移动的距离为 vAt
如果波源向着观察者运动的速度大于波速， 那么在这种情况下，急速运动着的波源前方不 可能有任何波动产生，所有波前将被积压而聚 集在一圆锥面上，如图
这个圆锥面上，波的能量已被高度集中，容易 造成巨大的破坏，这种波称为冲击波或激波.
突破音速的瞬间
突破音障进入超音速后，从航空 器最前端起会产生一股圆锥形的音锥， 在旁观者听来这股震波有如爆炸一般， 故称为音爆或声爆
应用一：彩超
医生向人体内发射频 率已知的超声波，超 声波被血管中的血流 反射后又被仪器接收， 测出反射波的频率变 化，就能知道血流的 速度．这种方法俗称 “彩超”，可以检查 心脏、大脑和眼底血 管的病变．
应用二：光谱线的红移
应用三：测速仪
例2 利用多普勒效应监测车速，固定波源发出频率
为10k0H的z超声波，当汽车向波源行驶时，与波源
波源向v p 着观察者A运动时
S1 S2
A
vsT
波速： v p
波长： vpT
波源向A运动速度v s ，一周期T内波源移动 b
被观察者接收到的介质中的波长为：
b v s T ( v p v s ) T ( v p v s )/f
vp
S1 S2
什么是多普勒效应
什么是多普勒效应
多普勒效应是一种物理现象，描述了当光源或声源相对于观察者发生相对运动时，观察者所感知到的频率或波长的变化。
多普勒效应分为多普勒频移和多普勒波长变化两种形式，分别用于描述光学和声学的情况。
多普勒频移（Doppler Frequency Shift）：
1. 光学多普勒效应：
•描述：当光源或观察者相对于彼此运动时，观察者测量到的光频率会有所改变。
•频率变化：如果光源和观察者相向运动，光频率升高（蓝移）；如果它们远离彼此，光频率降低（红移）。
•应用：光学多普勒效应在天文学中广泛应用，用于测量星体的运动速度和方向。
多普勒波长变化（Doppler Wavelength Shift）：
1. 声学多普勒效应：
•描述：当声源或听者相对于彼此运动时，听者感知到的声音波长会发生变化。
•波长变化：声源和听者相向运动时，听者感知到的声音波长缩短；相远离运动时，波长延长。
•应用：声学多普勒效应在实际生活中广泛应用，例如警车、救护车的声音变化。
数学表达：
多普勒效应的数学表达式取决于具体情境，但一般可以用下面的公式来表示频率变化：
f′=v∓vsf(v±v0)
其中：
•f′ 是观察者测量到的频率，
• f 是光源或声源的固有频率，
• v 是波在介质中的传播速度，
• v0 是观察者相对于介质的速度（正表示远离，负表示相向运动），
• vs 是光源或声源相对于介质的速度（正表示远离，负表示相向运动）。
多普勒效应的重要性在于它使我们能够测量和理解运动物体的速度，同时也应用于通信、雷达技术等领域。
生活中有哪些应用了多普勒效应
生活中有哪些应用了多普勒效应一、声波的多普勒效应在日常生活中，我们都会有这种经验：当一列鸣着汽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. 为什么会发生这种现象呢?这是因为声调的高低是由声波振动频率的不同决定的，如果频率高，声调听起来就高;反之声调听起来就低.这种现象称为多普勒效应，它是用发现者克里斯蒂安多普勒(ChristianDoppler,1803-1853)的名字命名的，多普勒是奥地利物理学家和数学家.他于1842年首先发现了这种效应.为了理解这一现象，就需要考察火车以恒定速度驶近时，汽笛发出的声波在传播时的规律.其结果是声波的波长缩短，好象波被压缩了.因此，在一定时间间隔内传播的波数就增加了，这就是观察者为什么会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，好象波被拉伸了. 因此，声音听起来就显得低沉.定量分析得到f1=(u+v0)/(u-vs)f ，其中vs为波源相对于介质的速度，v0为观察者相对于介质的速度，f表示波源的固有频率，u表示波在静止介质中的传播速度. 当观察者朝波源运动时，v0取正号;当观察者背离波源(即顺着波源)运动时，v0取负号. 当波源朝观察者运动时vs前面取负号;前波源背离观察者运动时vs 取正号. 从上式易知，当观察者与声源相互靠近时，f1f ;当观察者与声源相互远离时。
f1二、光波的多普勒效应具有波动性的光也会出现这种效应，它又被称为多普勒-斐索效应. 因为法国物理学家斐索(1819-1896)于1848年独立地对来自恒星的波长偏移做了解释，指出了利用这种效应测量恒星相对速度的办法.光波与声波的不同之处在于，光波频率的变化使人感觉到是颜色的变化. 如果恒星远离我们而去，则光的谱线就向红光方向移动，称为红移;如果恒星朝向我们运动，光的谱线就向紫光方向移动，称为蓝移.三、光的多普勒效应的应用20世纪20年代，美国天文学家斯莱弗在研究远处的旋涡星云发出的光谱时，首先发现了光谱的红移，认识到了旋涡星云正快速远离地球而去.1929年哈勃根据光普红移总结出著名的哈勃定律：星系的远离速度v与距地球的距离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，它只能是演化的产物. 因而1948年伽莫夫(G. Gamow)和他的同事们提出大爆炸宇宙模型. 20世纪60年代以来，大爆炸宇宙模型逐渐被广泛接受，以致被天文学家称为宇宙的"标准模型" .多普勒-斐索效应使人们对距地球任意远的天体的运动的研究成为可能，这只要分析一下接收到的光的频谱就行了. 1868年，英国天文学家W. 哈金斯用这种办法测量了天狼星的视向速度(即物体远离我们而去的速度)，得出了46 km/s 的速度值。
多普勒效应的作用
多普勒效应的作用
多普勒效应是一种物理现象，当发射者和接收者相对运动时，波的频率和波长会发生变化。
多普勒效应在多个领域中具有重要的应用，包括：
1. 天文学：多普勒效应被用于确定星体的速度和运动方向。
通过测量天体的频率变化，可以推断出星体向我们移动或远离我们的速度。
2. 遥感技术：多普勒效应被应用于雷达测距和速度测量中。
通过测量目标物体反射回来的信号频率变化，可以确定目标物体的相对速度和距离。
3. 医学影像：多普勒效应被用于超声波成像中。
通过测量回声波的频率变化，可以获得人体内部组织或血流的速度和方向信息，用于诊断和监测疾病。
4. 交通监测：多普勒效应被应用于交通雷达和测速摄像机中。
通过测量行驶车辆反射回来的信号频率变化，可以判断车辆的速度，用于交通监测和执法。
5. 宇航技术：多普勒效应被用于航天器与地面通信中。
当航天器以高速运动时，信号的频率会发生变化，需要调整接收器来保持通信稳定。
总之，多普勒效应在物理学、天文学、遥感技术、医学影像、交通监测和宇航技术等领域中具有广泛的应用。
多普勒的应用和原理
多普勒的应用和原理一、多普勒效应的原理多普勒效应是描述当波源和观测者相对运动时，波的频率和波长发生变化的现象。
该现象可以用于测量物体的速度、方向和距离。
1.1 波的频率和波长的变化当波源和观测者相向而行时，波源发出的波的频率相对于观测者来说会增加，波长则会缩短。
而当波源和观测者背离而行时，波的频率相对于观测者来说会减小，波长则会延长。
1.2 多普勒频移公式多普勒频移公式可以描述多普勒效应的量化关系：f' = f * (v + vr) / (v - vs)其中，f'是观测者接收到的频率，f是波源发出的频率，v是波的速度，vr是观测者的速度，vs是波源的速度。
二、多普勒效应的应用2.1 多普勒测速仪多普勒测速仪是利用多普勒效应测量物体的速度的一种设备。
通过测量接收到的频率与波源发出的频率之间的差异，可以计算物体的速度。
2.2 多普勒雷达多普勒雷达常用于测量目标的速度和距离。
利用多普勒效应，通过观测回波频率与发射频率之间的差异，可以计算出目标物体的速度。
2.3 医学应用多普勒效应在医学领域有广泛的应用。
例如，超声多普勒技术可以用于测量血流速度，对心脏、血管等器官进行检测和诊断。
2.4 多普勒流量计多普勒流量计是一种用于测量液体或气体流速的设备。
通过使用多普勒效应，它可以非侵入性地测量液体或气体的速度和流量。
2.5 遥感技术多普勒效应在遥感技术中也有应用。
利用多普勒频移公式，可以通过分析卫星接收到的微波信号的频率变化，来获得地球表面的运动信息和物体的速度。
三、总结多普勒效应是一种广泛应用于各个领域的物理现象。
它的原理是当波源和观测者相对运动时，波的频率和波长发生变化。
利用多普勒效应，我们可以测量物体的速度、方向和距离。
多普勒效应在多个领域都有重要的应用，如测速仪、雷达、医学、流量计和遥感技术等。
这些应用使得多普勒效应成为一项重要的技术，对各个领域的研究和应用产生了积极的影响。
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观察 ' u vo 观察者向波源运动
者接 收的
u
' u vo 观察者远离波源
频率
u
说明1
❖ 在观察者运动的情况下，引起观察者接 收频率的改变，是由于观测到的波的传 播速度发生改变（波的波长不变）
v 2、观察者不动，波源相对介质以速度 s运动
T
s s'
uA
T'vsTb
uu
vsT
b
' 1 u u
T' vsT u vs
观察 者接 收的 频率
' u
'
u
u
vs
u vs
波源向观察者运动 波源远离观察者
说明2
❖ 在波源运动的情况下，引起观察者接收 频率的改变，是由于观测到的波长发生 改变（波的传播速度不变）
3、波源与观察者同时相对介质运动 (vs,vo)
'
u u
vo vs
v o 观察者向波源运动 + ，远离 .
1）交通上测量车速（雷达测速仪）； 2）医学上用于测量血流速度（多普勒检查）； 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.
应用之一（雷达测速仪）
❖ 交通警察向行进中的 汽车发射一个已知频 率的电磁波（通常是 红外线），波被运动 的汽车反射回来时， 接收到的频率发生变 化，由此可指示汽车 的速度。
观察者静止
频率的关系
观 等于 波
察
源
者 大于 的
接
频
收 小于 率 频
率 等于
小于
总结
❖ 1、在多普勒效应中，波源的频率是不改 变的，只是由于波源和观察者之间有相 对运动，观察者感到频率发生了变化。
❖ 2、多普勒效应是波动过程共有的特征， 不仅机械波，电磁波和光波也会发生多 普勒效应。
二、多普勒效应的应用
应用之二（多普勒天气雷达—尼克斯雷达）
❖ 尼克斯雷达是采用多普勒效应对风、雨、雪 进行探测的一种新型雷达。
❖ 由于雨滴和雪花运动方式不同，雷达反射回 来的波频率也不同。根据雷达接收反射回来 的无线电波的频率，就可以分析出风、雨、 雪花的运动情况。利用多普勒效应，就可以 确定风暴是不是向这个方向刮来，并且能判 定速度的大小。
应用之三（多普勒B超或彩超仪）
❖ 多普勒B超或彩超仪：对 运动的脏器和血流进行 检测的仪器。
❖ 原理：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。
应用之四（多普勒胎心仪）
❖ 多普勒胎心仪主要是用来做胎心监护的 电子仪器, 多采用超声多普勒技术，其 超声剂量要小。
多普勒 C. Doppler， 1803-1853
奥地利物理学家，他于 1842年第一次论证了相 互转动的双星系统所发 射的光的频率的微小变 化，继而又讨论了声源 与观察者之间相对运动 时，观察者所接收的声 波频率的变化。
一、多普勒效应原理
❖ 1、现象（1842年发现）：当汽车或者火车向 你驶来时，感觉音调变高；当汽车或者火车 离你远去时，感觉音调变低（音调由频率决 定，频率高音调高；频率低音调低）。
解： （1）观察者不动，波源向观察者运动
u
v'
v
u vs
340 275 340 20
292 (Hz)
（2）观察者不动，波源远离观察者
v' u v u vs
340 ×275 340 + 20
260(H z)
课后练习
❖ 4、一个观察者在铁路附近，当火车驶近时， 他听到的汽笛声频率v’1=440 Hz，当火车驶远 时，他听到的频率v’2=392 Hz，在大气中声速 u=340 m/s，求火车的速度？
❖ 1、关于多普勒效应，下列说法正确的是（） ❖ A . 多普勒效应是由于波的干涉引起的 ❖ B. 多普勒效应说明波源的频率发生改变 ❖ C. 多普勒效应是由于波源与观察者之间相对
运动而产生的 ❖ D. 只有声波才可以产生多谱勒效应 ❖ 答案：C
课后练习
❖ 2、当火车进站鸣笛时，我们可以听到的声调 （）
规定: vo表示观察者相对于媒质的运动速度。 vs表示波源相对于媒质的运动速度。 u 表示波的传播速度
讨论 人耳听到的声音的频率与声源的频率相同吗？
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.
发射频率 s
s ?
接收频率
只有波源与观察者相对静止时才相等.
1、 波源不动，观察者相对介质以速度 v o 运动
❖ 胎心监护目的：监查胎儿胎动是否异常， 根据胎心状况，做出相应的处理。
应用之五（多普勒声纳）
❖ 舰艇、油轮、货船行驶在浩 瀚无垠的大海上，如何准确 的沿着既定的目标前进呢？
❖ 多普勒声纳可以提供这种帮 助。
❖ 多普勒声纳是根据多普勒效 应研制的一种利用水下声波 来测速和计程的精密仪器。
应用之六（光谱线的红移——宇 宙膨胀学说的理论基础）
❖ 1848年，法国物理学家斐索指出，注意 谱线的位置能够取得观测光的多普勒效 应的最佳效果。因此人们把光的多普勒 效应称为多普勒-斐索效应。
应用之七
❖有经验的铁路工人可以从火车的 汽笛声判断火车的运动方向和快 慢；
❖有经验的战士可以从炮弹飞行时 的尖叫声判断飞行的炮弹是接近 还是远去。
课后练习
❖ A. 变高 ❖ B. 不变高 ❖ C. 越来越低沉 ❖ D. 不知声速和火车车速，不能判断 ❖ 答案：A
课后练习
❖ 3、以速度vs=20 m/s奔驰的火车，鸣笛声频率 为275Hz，已知常温下空气中的声速u=340 m/s。
❖ （1）当火车驶来时，站在铁道旁的观察者听 到的频率是多少？
❖ （2）当火车驶去时，站在铁道旁的观察者听 到的频率是多少？
❖ 2、多普勒效应：由于波源和观察者之间有相 对运动，使观察者感到频率变化的现象，称 为多普勒效应。
一、多普勒效应原理
几个重要概念
1、波源的频率（v）：单位时间内波源振动的次数 或发出的‘完整波’的个数。单位：赫兹，Hz。
2、接收到的频率（v’）：观察者在单位时间内接收 到的‘完整波’的个数。单位：赫兹，Hz。
v s 波源向观察者运动 ，远离 + .
若波源与观察 者不沿二者连线运 动
Hale Waihona Puke 'u uv'o v's
v's
v o
v'o
vs
运动和频率的关系列表
波源的运动 情况 波源静止
波源静止
波源静止
波源向观察 者运动 波源远离观 察者运动
观察者运动 情况 观察者静止
观察者向波 源运动 观察者远离 波源运动 观察者静止