浅谈多普勒效应

多普勒式测量原理 多普勒式采用两个换能器，一个发射，一 个接收，进行流体测量。发射换能器以某特定频率向 流体中发射一个声波信号，经流体中的固体颗粒或气 泡反射后，由接收换能器检测到。流量计进行比较发 射和接收的频率，并计算出频率的变化。该频率的变 化与流体的流速成比例关系，由多普勒效应可得之。
光的多普勒效应
在经典物理学中，如果波源和观察者之间有相对运动，那么观 察者接收到的频率和波源的频率就不相同了，这种现象叫做多 普勒效应。相对运动必须区别为：（1）波源运动，接收器静 止；（2 ）波源静止，接收器运动，两种基本情况，由波源、 媒质、接收器三者间状态决定。对于光波来说，从相对论的观 点看来，以太作为具有弹性的传播光波的力学媒质的观点是不 存在的，因而在两种情况之间不应有任何差别。一光源在惯性 系 中以速度 作匀速运动， 它相对于原点处的观察者 的瞬间径 向速度分量为 ，和光源一道运动的观察者 测得相继的两光波 波峰的时间间隔为 。在这段时间内，光源和 的距离增加了 （考虑了时间膨胀），因而由 观测到的波峰的时间间隔 是
GPS工作原理
那么，GPS 是如何给地面某一点精确定位的呢？方法有好几种，以多普勒频 移观测法为例，卫星上设有信号源，在轨道上运行时不断向地面发射固定频率 的电磁波，地面 GPS 接收仪可以接收到这种信号，根据物理学多普勒效应，当 波源和观测点作相对运动，地面接收到的信号频率会发生改变，和波源发出的 频率不同。卫星从 A 点运行到 B 点，地面接收仪能测到这段时间卫星信号频率 变化，而这种变化与接收仪所在位置及距离卫星的长度有关。通过计算机可精 确计算 A、B 点分别与接收仪的距离，以及 A、B 点的距离差值，经过大地坐标 换算，很快便可确定 GPS 接收仪所在位置的经度、纬度、高度。如果两次大地 定位的坐标有变化（即使是微米量级的变化），都可以判断地面某一点水平运 动方向、速率以及垂直升降幅度。
有运动时，观测者收到的谱线波长与光源静止时发射的谱线的波长有差别。举个例子，一个光源 A 向
着观测者运动，另一个光源 B 远离观测者运动。如果两个光源 A 和 B 本身发射相同波长的光，波长是
λ 0 ，那么观测者收到的光，波长都不相同。他看到 A 光源的波长 λ A 要比 λ 0 小，而 B 光源的波长
于是得到频率变换式
（ 为光源固有频率， 为 系中接收器接收光脉冲信号的频率。） 当光源作纯粹径向运动时， ，得
（ 离 而去）
（ 向 运动）
设光线的反方向和 系的 轴的夹角为 ， 令
， 代入频率变换式得到
这就是多普勒效应的相对论公式。在相对论范围内，存在着所谓横向多普勒效应，也就是当 相对速度的方向与观测方向垂直时 ，频率发生了变化。当然，这完全是由时间膨胀引
起的。这里又提供了一种证明自然界存在时间膨胀的方法。
多普勒效应不仅适用于声波，同样也适用于光波。当光源快速朝着 我们运动时，它所发射的光会发生 “蓝移” ，频率增大；反之，当光 源离我们而去时，它所发射的光会发生 “红移 ” ，频率减小。天文学 家常常反过来利用多普勒效应：把某个恒星发的光谱与正常的光谱 相比较，如果光谱线 “蓝移” ，则说明这个恒星正向着我们而来；如 果光谱线 “红移 ” ，则说明这个恒星背离我们而去。而且根据 “蓝移 ” 和“红移”量的大小还可以估算出该恒星的运动速度。
哈勃研究的星系，红移量还都比较小。都在 z＜0.003 的范围。哈勃之后的几十年来，已经发现了
许多大红移的星系。 在目前已知星系中最大红移已经达到 z～1。 在这样大的范围中哈勃关系仍然成立。 至今观测的结果都符合膨胀模型的预言。
海流测量是海洋调查的重要内容
60 年代初期，美国科学家研制出声学海流计，它是根据声学多普勒原理制成的测流 仪器，其工作原理是通过测量声波在流动液体中的多普勒效应来测量海流。用它可 以测量海流的深度剖面，可以测得湍流和弱流，还能在航行中连续同时测量多层海 流而且精度高。
浅谈 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，它是发现者克里斯蒂安·多普勒（Christian Doppler,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，ｆ1＞ｆ ；当观察者与声源相互远离时。ｆ１＜ｆ
多普勒效应在科学技术中有广 泛的应用．
交通警向行进中的车辆发射频率已知的电磁波，通常是红外线，同时测量反射波的频率，根 据反射波频率变化的多少就能知道车辆的速度．装有多普勒测速仪的警车有时就停在公路旁， 在测速的同时把车辆牌号拍摄下来，并把测得的速度自动打印在照片上． 宇宙中的星球都在不停地运动．测量星球上某些元素发出的光波的频率，然后跟地球上这 些元素静止时发光的频率对照，就可以算出星球靠近或远离我们的速度． 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．
λ B 要比 λ 0 大。通常称 A 光源的波长紫移了，而 B 光源的波长红移了。相对速度越大，红移或紫移 越厉害。
采用多普勒效应的机制来解释河外星系的红移，那就表示河外星系正在远离我们。哈勃还发现，
河外星系红移量的大小同其距离有关。距离越近的星系红移量越小，距离越远的星系红移量越大。这
个性质通常叫做哈勃关系。 它是表示越远的星系远离我们的速度也越大。这一切都符合膨胀宇宙的预 言。
雷达能够迅速、准确、细致地测定降水区的位置、范围、强度、性质，以及它们随时间的变化情 况，它是一种掌握降水动态和提供降水临近预报的有效工具。自 1950 年代以来，天气雷达在中尺度 天气研究中发挥了重要的作用。来自大气中各种目标物的雷达回波强度、回波形状的演变，以及与之 相联系的多普勒速度，都提供了有关目标物本身的信息，以及对流和中尺度大气运动对该目标物作用 的信息。现今使用的 S 波段(10cm)和 C 波段(5cm)天气雷达所观测到的回波，绝大多数来自于降水， 它能够随时探测到测站周围一定范围内降水的发生、发展、消散以及移动等情况。多普勒雷达可以探 测到降水云内和晴空大气中的水平风场和垂直风场，降水滴谱和大气湍流等，可以探测冰雹、龙卷、 下击暴流等。雷达在天气预报工作中的应用主要是，进行中尺度天气分析以及利用线性外推法等制作 临近预报。 气象多普勒雷达。它和一般测雨雷达的区别是，由于它改进了脉冲无线电波的发射机和接收机，接收 到的回波讯号码除了普通雷达也能收到的回波强度以外，还有回波的位相差异，这样就不仅能了解云 雨区的位置和强度，而且还可以进一步得到云雨区中的风场的情况。而风场（包括垂直气流）变化又 是决定云雨天气系统强度变化的主要因素。 因此天气多普勒雷达现在已经成为警戒强风暴强对流天气 的有力工具，大大增强了防灾抗灾的能力。
●能够在其他星Fra Baidu bibliotek上发现生命，并同地外文 明开始接触吗？
意大利国家生物天文学计划协调员克里斯蒂亚诺·科斯莫维奇：1997 年 10 月 26 日，在意大利 波洛尼亚省梅迪奇纳，利用一台直径为 32 米的射电望远镜启动了一项生物天文学研究计划，旨在寻 找太阳系外具有含液态水和大气层的行星，也就是可能存在生命的行星。继瑞士的米歇尔·梅厄在飞 马座 51 星系发现第一颗行星后，最近 3 年内，由杰夫·马西领导的研究小组又在太阳系外发现了另 外 11 颗行星。不过他们使用的仅仅是间接技术，即根据多普勒效应的原理，从行星的重力效应引起 的恒星光谱的移动，来发现围绕这颗恒星运行的巨大行星。而我所提出的建议则是，利用射电望远镜 寻找类似彗星同木星相撞时产生的效应。1994 年，休梅克－列维彗星的 21 块碎片同木星相撞，发生 了一场真正的宇宙灾难。当时这颗彗星在木星的大气层中释放了大量的水蒸气，在高达 10000℃条件 下的这种冲击引起了微波激射效应 （一种类似于激光的微波辐射） 。 而架设在梅迪奇纳的射电望远镜， 在 22GHz（波长 1.35 厘米）频率上发现了这些水蒸气。因此，人们就联想到，就像 40 亿年前成群的 彗星轰击太阳系，从而在行星上储存了产生生命所必须的水和有机物一样，银河系中几千个恒星系已 经发生或者正在发生同样的现象。 人们估计， 利用梅迪奇纳的射电望远镜可以发现距离我们 50 光年的星系中进行的这种气体释放， 从而不排除在一些行星的大气层中发现水的可能性。 人们选择已发现的太阳系外的 5 颗行星和 5 颗棕 色矮星（质量是太阳质量 0.01～0.08 倍的木星型失败恒星），作为首批观测目标。
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， 线就向紫光方向移动，称为蓝移.
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
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 哈勃根据光谱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. Gamut）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 .
1929 年美国天文学家哈勃发现，河外星系普遍都有红移现象。红移就是光谱线的波长变长了（或
频率降低了），如果原来某种原子发射的一条谱线的波长为 λ 0 ，那么，从河外星系来的这种谱线波 长λ 总要比 λ 0 大。通常用 z=( λ - λ 0)/ λ 0 来表示红移的大小。z 称为红移量。
从这种红移的特征看，它可能是由多普勒效应引起的。所谓多普勒效应是指当光源相对于观测才
感谢老师及助教的关心与支持！
作者： 郭松 学号：PB03203164