多普勒效应及应用课件.ppt

1、 奥地利物理学家奥地利物理学家,他于他于1842年第一次论证年第一次论证了相互转动的双星系统了相互转动的双星系统所发射的光的频率的微所发射的光的频率的微小变化，继而又讨论了小变化，继而又讨论了声源与观察者之间相对声源与观察者之间相对运动时，观察者所接收运动时，观察者所接收的声波频率的变化的声波频率的变化.C.DOppler，18031853多多 普普 勒勒 如果波源或观察者或两者都相对于介质如果波源或观察者或两者都相对于介质运动运动,那么观察者接收到的频率与波源发出那么观察者接收到的频率与波源发出的频率就不相同的频率就不相同.这种现象叫做这种现象叫做多普勒效应多普勒效应.多普勒效应多普勒效应最

2、常见的实最常见的实例：例：当火车通过当火车通过时汽笛声的时汽笛声的变化变化.一一 波源不动波源不动,观察者相对介质以速度观察者相对介质以速度 运动运动 观察者向着波源运动时观察者向着波源运动时波速波速:,内波传内波传播的距离播的距离:ut dtudSPut d0vtud0v 如图如图,一观察者在点一观察者在点 P 向着波源向着波源S运动运动,速速度为度为 ,则则 时间内观察者移动的距离为时间内观察者移动的距离为0vt dt d0v0v 在在 距离内的波都被观察者所接收距离内的波都被观察者所接收又又 为介质中的波长：为介质中的波长：t)d0v(ub/)0v(ubbbu/b即即)/1(/)00uu

3、vv(uSPut d0vtud0v)/1(0uv 观察者远离波源运动时观察者远离波源运动时 当观察者向着静止波源运动时，观察当观察者向着静止波源运动时，观察者接收到的声波频率者接收到的声波频率 高于高于 .SPt d0vtud0v 设观察者在点设观察者在点 P 远离波源远离波源S运动运动,速度仍速度仍为为 ,则则 时间内观察者移动的距离为时间内观察者移动的距离为0vt d0vt dSPt d0vtud0v 观察者接收到了在观察者接收到了在 距离内的波距离内的波 又又 即即t)d0v(ub/)0v(u/ub)/1(/)00uuvv(u)/1(0uv 当观察者远离静止波源运动时，观察当观察者远离静

4、止波源运动时，观察者接收到的声波频率者接收到的声波频率 低于低于 .二二 观察者不动观察者不动,波源相对介质以速度波源相对介质以速度 运动运动 波源向着观察者波源向着观察者A运动时运动时sv波速：波速：波长：波长：uuTAuTsv1S2S波源向波源向A运动速度运动速度 ，一周期一周期T内波源移动内波源移动svb被观察者接收到的介质中的波长为：被观察者接收到的介质中的波长为：/)()(sssbvvvuTuT 当波源向着静止的观察者运动时，观察当波源向着静止的观察者运动时，观察者接收到的声波频率高于波源的频率者接收到的声波频率高于波源的频率./)(sbvu介质中的频率为：介质中的频率为：)/(/s

5、bbvuuu即即)/(svuuAuTsv1S2S 波源远离观察者运动时波源远离观察者运动时 如果波源远离观察者运动，观察者接收如果波源远离观察者运动，观察者接收到的声波频率低于波源的频率到的声波频率低于波源的频率.Auu2S1STsv通过类似分析通过类似分析,可知可知 即即/)()(sssbvvvuTuT)/(svuu 例例 一辆救护车以一辆救护车以 25 ms-1 的速度在静的速度在静止的空气中行驶，假设车上鸣笛的频率为止的空气中行驶，假设车上鸣笛的频率为 800 Hz，求：静止站在路边的人听到救护，求：静止站在路边的人听到救护车驶近和离去时的鸣笛声波的频率车驶近和离去时的鸣笛声波的频率.（

6、设空气中声速（设空气中声速 330 ms-1.）-1ssm25vHz800救护车驶近救护车驶近时，时，运用公式：运用公式：解解)/(svuu得得:Hz6.865800)305/330(800)25330/(330-1ssm25vHz800当当救护车离去救护车离去时时Hz7.734800)355/330(800)25330/(330)/(svuu-1ssm25vHz800思考题：思考题：波源向着观察者运动和观波源向着观察者运动和观察者向着波源运动，都会产生频率察者向着波源运动，都会产生频率增高的多普勒效应增高的多普勒效应.同样，远离时同样，远离时都会产生频率降低的多普勒效应，都会产生频率降低的多

7、普勒效应，这两种情况有何区别这两种情况有何区别?所以，两者同时相对介质运动时所以，两者同时相对介质运动时三三 波源和观察者同时相对介质运动波源和观察者同时相对介质运动已知：波源静止，观察者运动已知：波源静止，观察者运动观察者静止，波源运动观察者静止，波源运动注：正负号的取舍与前面相同注：正负号的取舍与前面相同则则/)(uu0v 则则)/(svuu/()(svv0uu 由上可知，不论是波源运动，还是观由上可知，不论是波源运动，还是观察者运动，或是两者同时运动，定性地说，察者运动，或是两者同时运动，定性地说，只要两者互相接近，接收到的频率就高于只要两者互相接近，接收到的频率就高于原来波源的频率；两

8、者互相远离，接收到原来波源的频率；两者互相远离，接收到的频率就低于原来波源的频率的频率就低于原来波源的频率.这个圆锥面上，波的能量已被高度集中，容易这个圆锥面上，波的能量已被高度集中，容易造成巨大的破坏，这种波称为造成巨大的破坏，这种波称为冲击波冲击波或或激波激波.如果波源向着观察者运动的速度大于波速如果波源向着观察者运动的速度大于波速(即即 )，那么在这种情况下，急速运动着，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，如图将被积压而聚集在一圆锥面上，如图uv s应用之一：多普勒声纳应用之一：多普勒声纳

9、 舰艇、油轮、货船行驶在舰艇、油轮、货船行驶在浩瀚无垠的大海上，如何准确浩瀚无垠的大海上，如何准确的沿着既定的目标前进呢？的沿着既定的目标前进呢？多普勒声纳可以提供这种多普勒声纳可以提供这种帮助帮助.多普勒声纳是根据多普勒多普勒声纳是根据多普勒效应研制的一种利用水下声波效应研制的一种利用水下声波来测速和计程的精密仪器来测速和计程的精密仪器.多普勒声纳一般安装在船体底部，由一多普勒声纳一般安装在船体底部，由一个发射器和一个接收器组成，如图中个发射器和一个接收器组成，如图中 O 点点.此时，船上接收此时，船上接收器接收到的频率为：器接收到的频率为：PO船底a多普勒声纳原理简介多普勒声纳原理简介v)

10、cos/()cos(0vvuu 一般还在同一位置安装一对向后的发射一般还在同一位置安装一对向后的发射器和接收器，此时它收到的频率为：器和接收器，此时它收到的频率为：PO船底船底av由此可得：由此可得：当当 /uv)(cos40 600/2uv)cos/()cos(0vvuu应用之二：多普勒超声诊断探头皮肤声靶 我们以心脏病中的二尖瓣狭窄为例，说明我们以心脏病中的二尖瓣狭窄为例，说明其诊断原理其诊断原理.利用超声波的多普勒效应可以测定利用超声波的多普勒效应可以测定血流的速度，如果发现明显的血流异常，则可血流的速度，如果发现明显的血流异常，则可以诊断二尖瓣狭窄，确定异常血流的深度以诊断二尖瓣狭窄，

11、确定异常血流的深度.光也存在多普勒效应，但是涉及光也存在多普勒效应，但是涉及狭义相狭义相对论的相对性对论的相对性原理和原理和光速不变光速不变原理，较复杂原理，较复杂.在此我们仅作简单介绍在此我们仅作简单介绍.由相对论可得：由相对论可得：注意：以上两公式对电磁波同样适用。注意：以上两公式对电磁波同样适用。波源背离观测者运动，有波源背离观测者运动，有 波源朝着观测者运动，有波源朝着观测者运动，有 其中其中 为波源的速度为波源的速度2/10)c()/c(vv2/10)c()/c(vvv 1848年，法国物理学家斐索指出，注意谱线的年，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

12、佳效果位置能够取得观测光的多普勒效应的最佳效果.因此，因此，人们把光的多普勒效应称为多普勒人们把光的多普勒效应称为多普勒-斐索效应斐索效应.应用之三：光谱线的红移应用之三：光谱线的红移宇宙膨胀学说的理论基础宇宙膨胀学说的理论基础多普勒-斐索效应应用之四：监测车辆的速度应用之四：监测车辆的速度（电磁波的多普勒效应）（电磁波的多普勒效应）公路上用于监测车辆速度的监测器，由微公路上用于监测车辆速度的监测器，由微波雷达发射器、探测器及数据处理系统等组成波雷达发射器、探测器及数据处理系统等组成.2/10)c()/c(vv 可以设想，当监测雷达发射频率为可以设想，当监测雷达发射频率为 的的微波被速度微波被

13、速度 向其运动的车辆所接收后，微向其运动的车辆所接收后，微波频率变化为波频率变化为 ，即即0v 然后，微波从运动的汽车上被反射回去然后，微波从运动的汽车上被反射回去.从监测器处所测得的反射波的频率为从监测器处所测得的反射波的频率为 ，即，即)c()/c()c()/c(02/1vvvv所以，频率差为所以，频率差为 c/2)c(2000vv 如根据交通管理条例对汽车最高速率限如根据交通管理条例对汽车最高速率限制为制为 ，那么拍频的最大值，那么拍频的最大值 是：是：mvm0mm)c/(2v应用之五：预测天气的雷达应用之五：预测天气的雷达多普勒雷达多普勒雷达、尼克斯雷达尼克斯雷达（电磁波的多普勒效应）（电磁波的多普勒效应）尼克斯雷达是采用多普勒效应对风、雨、尼克斯雷达是采用多普勒效应对风、雨、雪进行探测的的一种新型雷达雪进行探测的的一种新型雷达.因为，雨滴和雪花运动方式不同，雷达因为，雨滴和雪花运动方式不同，雷达反射回的波频率也不同反射回的波频率也不同.根据雷达接收反射回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、来的无线电波的频率，就可以分析出风、雨、雪花的运动情况雪花的运动情况.利用多普勒效应，可以确定利用多普勒效应，可以确定风暴是不是向这个方向刮来，并且能判定速风暴是不是向这个方向刮来，并且能判定速度的大小度的大小.