大学物理 狭义相对论 光的多普勒效应
狭义相对论力的变换公式的简单推导
狭义相对论力的变换公式的简单推导狭义相对论中的公式推导：一、洛仑兹坐标变换：X=γ(x-ut)；Y=y；Z=z；T=γ(t-ux/c^2)。
1、设(x,y,z,t)所在坐标系（A系）静止，（X,Y,Z,T）所在坐标系（B系）速度为u，且沿x轴正向。
在A系原点处，x=0，B系中A 原点的坐标为X=-uT，即X+uT=0。
2、可令x=k(X+uT) (1)。
又因在惯性系内的各点位置是等价的，因此k是与u有关的常数（广义相对论中，由于时空弯曲，各点不再等价，因此k不再是常数。
）同理，B系中的原点处有X=K(x-ut),由相对性原理知，两个惯性系等价，除速度反向外，两式应取相同的形式，即k=K。
3、故有X=k(x-ut) (2)。
对于y,z,Y,Z皆与速度无关，可得Y=y (3)。
4、Z=z (4)。
将(2)代入(1)可得：x=k^2(x-ut)+kuT，即T=kt+((1-k^2)/(ku))x (5)。
5、(1)(2)(3)(4)(5)满足相对性原理，要确定k需用光速不变原理。
当两系的原点重合时由重合点发出一光信号，则对两系分别有x=ct，X=cT。
6、代入(1)(2)式得：ct=kT(c+u)，cT=kt(c-u).两式相乘消去t 和T得：k=1/sqr(1-u^2/c^2)=γ。
将γ反代入(2)(5)式得坐标变换：X=γ(x-ut)；Y=y；Z=z；T=γ(t-ux/c^2)。
狭义相对论力的变换公式的简单推导二、速度变换：V(x)=(v(x)-u)/(1-v(x)u/c^2)；V(y)=v(y)/(γ(1-v(x)u/c^2))；V(z)=v(z)/(γ(1-v(x)u/c^2))。
1、V(x)=dX/dT=γ(dx-ut)/(γ(dt-udx/c^2))=(dx/dt-u)/(1-(dx/dt)u/c^2)=(v(x)-u)/(1-v(x)u/c ^2)。
2、同理可得V(y),V(z)的表达式。
大学物理实验多普勒效应
准备实验器材
确保声源和接收器能够正常工 作，测量仪器和记录仪已校准 。
放置接收器
将接收器放置在声源的一侧， 确保声波能够被接收器接收。
分析数据
根据记录的数据，分析多普勒 效应的现象和规律。
数据记录与处理
数据记录
在实验过程中，应实时记录声波 的频率、波长等参数，以及接收 器和声源的位置和角度等信息。
大学物理实验多普勒效应
汇报人： 2024-01-04
• 多普勒效应概述 • 实验目的与要求 • 实验器材与步骤 • 实验结果与分析 • 实验总结与思考
01
多普勒效应概述
多普勒效应的定义
总结词
多普勒效应是指波源和观察者之间相对运动时，观察者接收到的波长和频率发生 变化的现象。
详细描述
多普勒效应是物理学中一个重要的概念，它描述了波源和观察者之间相对运动时 ，观察者接收到的波长和频率的变化情况。当波源和观察者之间存在相对运动时 ，观察者感受到的波长和频率会发生变化，这种现象被称为多普勒效应。
VS
减小误差的方法
为了减小误差，我们采用了高精度的测量 工具，严格控制实验条件，并对数据进行 多次测量和取平均值处理，以提高结果的 可靠性。同时，我们还采用了合适的数学 模型和统计方法对数据进行处理和分析， 以减小误差对结果的影响。
05
实验总结与思考
实验总结
实验目的达成情况
通过本次实验，学生成功观察到了多普勒效 应的现象，并利用公式测量了声源与观察者 之间的相对速度。
实验操作流程
实验操作流程清晰，从设备安装到数据测量，再到 结果分析，每一步都有详细的指导。
数据记录与处理
狭义相对论公式及证明
狭义相对论公式及证明单位符号单位符号坐标： m (x, y, z) 力： N F(f)时间： s t(T) 质量:kg m(M)位移： m r 动量:kg*m/s p(P)速度： m/s v(u) 能量: J E加速度： m/s^2 a 冲量：N*s I长度： m l(L) 动能：J E k路程： m s(S) 势能：J E p角速度： rad/s ω力矩：N*m M角加速度:rad/s^2α功率：W P一：牛顿力学（预备知识）(一)：质点运动学基本公式：(1)v=dr/dt, r=r0+∫rdt(2)a=dv/dt, v=v0+∫adt(注：两式中左式为微分形式，右式为积分形式)当v不变时，(1)表示匀速直线运动。
当a不变时，(2)表示匀变速直线运动。
只要知道质点的运动方程r=r(t)，它的一切运动规律就可知了。
(二)：质点动力学：(1)牛一：不受力的物体做匀速直线运动。
(2)牛二：物体加速度与合外力成正比与质量成反比。
F=ma=mdv/dt=dp/dt(3)牛三：作用力与反作与力等大反向作用在同一直线上。
(4)万有引力：两质点间作用力与质量乘积成正比，与距离平方成反比。
F=GMm/r2,G=6.67259*10-11m3/(kg*s2)动量定理：I=∫Fdt=p2-p1(合外力的冲量等于动量的变化)动量守恒：合外力为零时，系统动量保持不变。
动能定理：W=∫Fds=E k2-E k1(合外力的功等于动能的变化)机械能守恒：只有重力做功时，E k1+E p1=E k2+E p2(注：牛顿力学的核心是牛二：F=ma,它是运动学与动力学的桥梁，我们的目的是知道物体的运动规律，即求解运动方程r=r(t),若知受力情况，根据牛二可得a,再根据运动学基本公式求之。
同样，若知运动方程r=r(t),可根据运动学基本公式求a，再由牛二可知物体的受力情况。
)二：狭义相对论力学：(注：γ=1/sqr(1-u2/c2),β=u/c, u为惯性系速度。
光的多普勒效应
探测器接受到的光信号 频率 （B向A运动）
A
1 1
1
2
B
谱线的蓝移：当光源与探测器相向运动时，探测
器接受到的频率要大于光的本征频率.
注意
以上二式仅限于光源与探测器沿两者连
线运动的情况 .
第十五章 狭义 相对论
* 15 - 4 光的多普勒效应
物理学教程 （第二版）
S 系测 B 发信号持续时间
tA t2 t1
第十五章 狭义 相对论
根据时间延缓可知
tA
tB
1 2
探测器A开始接受信号
t1N
t1
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探测器A最后接受光信号
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x vt c
* 15 - 4 光的多普勒效应
物理学教程 （第二版）
tA
tB
1 2
* 15 - 4 光的多普勒效应
物理学教程 （第二版）
1）爱因斯坦相对性原理：物理定律在所有的 惯性系中都具有相同的表达形式 .
2）光速不变原理： 真空中的光速是常量，它
与光源或观察者的运动无关，即不依赖于惯性系的
选择.
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s' y' v
B — 光源 A — 光信号探测器
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探测器 A 接受光信号经历的时间
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光的多普勒效应
光的多普勒效应光的多普勒效应是描述光波传播中频率变化的现象，它来源于移动的光源或观察者相对运动引起的频率变化。
在本文中，我们将深入探讨光的多普勒效应及其应用。
一、多普勒效应的原理光的多普勒效应源于光波传播的频率变化。
当光源与观察者相对运动时，光波传播的频率会发生变化。
对于接近运动的光源，光的频率变高，被称为"红移"；而对于远离运动的光源，光的频率变低，被称为"蓝移"。
二、光的红移与蓝移1. 光源接近观察者当光源向观察者靠近时，观察者会接收到比平常更高频率（蓝移）的光波。
这一现象在天文学中非常常见，例如星系红移。
通过观察天体辐射的频率变化，科学家可以确定星系的运动方向和速度。
2. 光源远离观察者随着光源远离观察者，观察者接收到的光波频率会变低（红移）。
在实际应用中，这一现象被广泛应用于医学领域，例如多普勒超声检测。
通过测量血液流动过程中红细胞反射回来的频率变化，医生可以判断血流速度和方向，从而诊断心血管疾病。
三、光的多普勒效应在实践中的应用1. 多普勒雷达多普勒雷达技术利用了光的多普勒效应，通过测量运动目标反射回来的频率变化来判断目标的速度。
这一技术在交通管理、气象预报和军事领域有着广泛的应用。
2. 医学成像光的多普勒效应在医学成像中也被广泛应用。
例如，多普勒超声成像可以通过测量超声波与血液相互作用的频率变化，获得血流速度和方向的信息，用于心脏和血管疾病的诊断和治疗。
3. 光谱分析光谱分析是利用光的多普勒效应来分析物质组成和结构的技术。
通过观察物质吸收或发射光谱的频率变化，可以推断出物质的成分、温度和速度信息。
这一技术在天文学、化学和地质学等领域都有重要应用。
四、结论光的多普勒效应是光波传播中频率变化的现象，它在多个领域中有着重要的应用。
通过对光源与观察者相对运动的观察，科学家和工程师可以通过测量频率变化来获得目标物体的速度、方向和组成信息。
随着科技的不断发展，多普勒效应的应用将会更加广泛和深入。
光的多普勒效应
光的多普勒效应1. 引言光的多普勒效应是指当光源或观测者相对于彼此运动时，光波的频率和波长会发生变化的现象。
这种现象最早由奥地利物理学家克利门斯·多普勒于1842年提出，并在实验中得到验证。
光的多普勒效应在许多领域都有重要的应用，例如天文学、雷达技术和医学图像等。
2. 多普勒效应的基本原理多普勒效应的基本原理是基于光的波动性，在光波传播中频率和波长之间存在着一种关系。
当光源和观测者相对静止时，光的频率和波长不发生变化，此时称为静止态。
然而，当光源和观测者相对运动时，就会出现多普勒效应。
根据多普勒效应的原理，当光源和观测者相对运动时，观测者会感受到光的频率和波长的改变。
如果光源和观测者向彼此靠近运动，则观测者会感受到高频率的光波，波长变短。
相反，如果光源和观测者相互远离，则观测者会感受到低频率的光波，波长变长。
多普勒效应可以分为红移和蓝移两种情况。
当光源和观测者靠近时，观测者会感受到光的频率增加，波长缩短，此时称为蓝移。
相反，当光源和观测者远离时，观测者会感受到光的频率减少，波长增加，此时称为红移。
3. 光的多普勒效应在天文学中的应用光的多普勒效应在天文学中有广泛的应用。
通过观测天体的光谱，我们可以利用多普勒效应来确定天体的运动状态。
例如，在观测星系的时候，如果星系与地球相对静止，其光谱中的吸收线会与实验室中的参考线相吻合。
然而，如果星系向地球运动，观测者会感受到光谱的蓝移，吸收线会向高频率偏移。
相反，如果星系远离地球运动，观测者会感受到光谱的红移，吸收线会向低频率偏移。
利用多普勒效应，天文学家可以通过观测星系的光谱来推断星系的运动速度和方向。
这一技术被广泛应用于研究宇宙的结构和演化，例如确定星系的相对速度、探测星系碰撞等。
4. 光的多普勒效应在雷达技术中的应用光的多普勒效应在雷达技术中也有重要的应用。
雷达是一种利用多普勒效应来测量物体运动状态的技术。
当雷达向一个物体发送脉冲信号时，如果物体相对静止，返回的信号频率和发送的信号频率相同。
光的多普勒效应(相对论)
光的多普勒效应(相对论)
由于光速不变原理，只要光源与接收点相对速度相同，则对于光源的绝对速度无论为何值时，多普勒效应应具有相同的表现形式。
1.运动学方法：
在光源的惯性系中，设接收点速度为V，V与接收点和光源的连线的夹角为θ1。
在光源处隔dt1先后发两束光，则在接收点参考系隔dt2收到。
则光程差为ds=γVdt1cosθ 2 (γ=1/（1-β^2）^（1/2）,β=V/C)。
现转换为接收点参考系：
则光源速度与接收点和光源的连线的夹角为θ2，对光：
Vx=（V+Ccosθ1）/（1+Vcosθ1/C）
cosθ2=Vx/C=（V+Ccosθ1）/（C+Vcosθ1）
则ds=γVdt1（V+Ccosθ1）/（C+Vcosθ1）
ds=C(dt2-dt1）
则dt2=γ（β+cosθ1）dt1
则T2=γ（β+cosθ1）T1
则ν2=γ（β+cosθ1）ν1
2.动力学方法：
光源参考系：设光在速度方向或垂直速度方向的动量分别为P1x，P1y ；能量为E1
接受点参考系：设光在速度方向或垂直速度方向的动量分别为P2x，P2y；能量为E2
则P2x=γ（P1x+E1V/C^2）
P2y=P1y （此为动量变换，若不知见我的日志“狭义相对论公式及推导”）
则P2=（P1x^2+P1y^2）^2=γP1（β+cosθ1）其中E1 =P1C=hν 1 E2 =P2C=hν2
则ν2=γ（β+cosθ1）ν 1。
光的多普勒效应与相对论
光的多普勒效应与相对论光的多普勒效应是指当光源与观察者之间有相对运动时，光的频率和波长会发生变化的现象。
这一现象最早由奥地利物理学家克里斯蒂安·多普勒在19世纪提出，并且在相对论的发展过程中逐渐得到了更加精确的解释和解释。
多普勒效应最常见的例子就是声音的变化，当一个发出声音的物体以超过声速的速度接近观察者时，观察者听到的声音会增加。
而当物体以远离观察者的速度移动时，观察者听到的声音会减小。
类似地，光的多普勒效应也描述了当光源与观察者相对运动时，观察者所感知到的光的频率和波长的变化。
根据相对论的原理，光的速度是一个绝对不变的常量，即光速不会因为光源或者观察者的相对运动而发生变化。
然而，当光源接近观察者时，观察者会收到更多的光波，导致观察到的光的频率增加。
相反，当光源远离观察者时，观察者会收到较少的光波，导致观察到的光的频率减少。
这就是光的多普勒效应的原理。
具体来说，当光源以速度v靠近观察者时，光的频率f'相对于光源的频率f会增加。
这个频率增加可以用下面的公式来表示：f' = f * (1 + v/c)其中，f'是观察者接收到的光的频率，f是光源的频率，v是光源相对于观察者的速度，c是光的速度。
同样地，当光源远离观察者时，光的频率f'相对于光源的频率f会减小。
这个频率减小可以用下面的公式来表示：f' = f * (1 - v/c)光的多普勒效应不仅仅在学术研究中具有重要意义，也在实际应用中有很多用途。
例如，在天文学中，通过观察到恒星或者行星的光的频率变化，我们可以推断出这些天体的运动状态。
在医学中，通过利用多普勒效应来测量血液流速，可以帮助医生诊断心脏疾病和其他血管病变。
在交通领域，通过使用多普勒雷达来测量车辆的速度，可以实现交通监控和违章执法。
总之，光的多普勒效应是近代物理学的一个重要研究领域，它描述了当光源与观察者相对运动时，光的频率和波长会发生变化的现象。
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t B x x vt t A t1N t1 t2 N t2 2 1 c c 探测器 A 接受光信号经历的时间
v tAN t2 N t1N (1 )tA (1 )tA c N A N B N B tB A tAN
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B 发出一频率为 B 波数为N 的光信号
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第十五章 狭义 相对论
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物理学教程 （第二版）
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根据时间延缓可知
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A
o
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B
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探测器A开始接受信号
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S' 系测 B 发信号持续时间
x t1 c
t B t '2 t '1
探测器A最后接受光信号
ห้องสมุดไป่ตู้
S 系测 B 发信号持续时间
tA t2 t1
第十五章 狭义 相对论
t2 N
x vt t2 c
* 15 - 4 光的多普勒效应
物理学教程 （第二版）
c
12
' c '
由
1 A B 1
可得
1 v c ' 1 v c
7 1
434nm , ' 600nm
代入数据得
v 0.31c 9.3 10 m s
第十五章 狭义 相对论
S系中探测器A接受到的
光信号频率 （B离A而去）
1 A B 1
12
光的红移：当光源与探测器相远离时，探测器测 得光的频率要小于光的本征频率.
第十五章 狭义 相对论
* 15 - 4 光的多普勒效应
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S系中探测器A接受到的
光信号频率 （B离A而去）
* 15 - 4 光的多普勒效应
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1）爱因斯坦相对性原理：物理定律在所有的 惯性系中都具有相同的表达形式 .
2）光速不变原理： 真空中的光速是常量，它 与光源或观察者的运动无关，即不依赖于惯性系的 选择. B — 光源 y' y
s
s'
12
12
v
A — 光信号探测器 A、B 重合时
1 A B 1 1 A B 1
12
12
光的红移：当光源与探测器相远离时，探测器测 得光的频率要小于光的本征频率. 探测器接受到的光信号 频率 （B向A运动）
谱线的蓝移：当光源与探测器相向运动时，探测 器接受到的频率要大于光的本征频率. 注意 以上二式仅限于光源与探测器沿两者连 线运动的情况 .
第十五章 狭义 相对论
* 15 - 4 光的多普勒效应
物理学教程 （第二版）
例 一遥远的星系以很高的速率离地球而去，其光 学谱线发生红移 ，与本征频率相对应的波长为434nm 的谱线 ，被地球上的记录仪记录到的波长为 600nm . 此星系相对地球运动的速率为多少? 解 设星系发出某一本征谱线的频率和波长为 , . 地球上的记录仪记录到此谱线的频率和波长为 ' , '.