多普勒频移

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引言

大多数人经常将多普勒效应和多普勒频移混用。虽然在日常使用中这样做没有问题，但两者之间仍然存在一些差异，我们必须注意。

多普勒效应存在于各种形式的波中，而不局限于声波或光波。然而，它在声波中最明显。光波中观察到的频移太小，肉眼无法察觉。相反，需要光谱测量。此外，多普勒效应理论仅在波源和接收器的速度小于所讨论波的速度时才有效。超过此速度，其他现象就会开始发生。

尽管存在这些局限性，多普勒效应（以及多普勒频移）背后的理论对科学家和普通人来说都非常有用。天文学家利用它来寻找系外行星并计算遥远天体的速度。同时，多普勒效应也用于诸如测速雷达之类的日常事物。在本教程中，我们将详细阐述多普勒效应和多普勒频移。

什么是多普勒效应？

多普勒效应是一种现象，其中如果波源或接收器相对于彼此不静止，则波的频率似乎会发生变化。多普勒效应最有趣的部分是，虽然其背后的科学原理非常可靠，但效应本身是一种错觉。频率只显得发生了变化。实际上，波本身的属性保持不变。

此外，多普勒效应在各种波中都能观察到。例如，声波频率的变化用于紧急警报器，而光波频率的变化用于多普勒测速雷达。

多普勒频移

如前所述，“多普勒效应”一词与“多普勒频移”同义，这并非完全错误。但是，从技术上讲，多普勒效应是指频率表观变化的现象，而多普勒频移是指频率本身的变化。因此，当我们谈论多普勒频移时，我们谈论的是一个量值，而不是一种现象。

例如，某种车辆声波的多普勒频移可能是 20 Hz。这是一个可以用数字或变量表示的量，其值取决于波源和观察者的相对速度以及波本身的速度。因此，声波比光波经历更剧烈和更明显的频率变化。

多普勒频移的类型

广义地说，多普勒频移分为两种类型。它们分别称为红移和蓝移。这些名称源于可见光谱中红色频率较低，蓝色频率较高。

红移

由于红色位于可见光区域的低频端，我们将波频率的降低称为红移。当波源远离观察者时，就会发生红移。

例如，如果一颗行星远离地球，到达地球后从行星上反射的光似乎会携带略低的频率。这用于计算天体的速度。

蓝移

蓝移与红移相反。蓝色位于高频端，因此由于多普勒效应导致的频率增加称为蓝移。当波源向观察者移动时，就会发生蓝移。

与红移一样，如果一颗行星正在向地球移动，则从其上反射的光的频率将显得更高。

多普勒效应和多普勒频移的区别

多普勒效应	多普勒频移
多普勒效应是一种现象	多普勒频移是一种测量值。
它指的是观察到的效应，其中波的频率存在表观变化。	它指的是由于多普勒效应引起的频率变化的量。
多普勒效应存在于各种形式的波中。	多普勒频移的子类型，即红移和蓝移，通常仅被认为对光波有效。请注意，多普勒频移本身对所有波都适用。

多普勒频移公式

当波源和观察者之间存在相对运动时，就会发生多普勒频移。如果我们假设波源是静止的，而观察者以速度 $\mathrm{v_{r}}$ 运动，则

$$\mathrm{f=\left ( \frac{c\pm v_{r}}{c} \right )f_{0}}$$

此处，加号对应于接收器向波源移动。

类似地，如果接收器是静止的，但波源以速度 $\mathrm{v_{r}}$ 运动，则

$$\mathrm{f=\left ( \frac{c}{c\pm v_{s}} \right )f_{0}}$$

这次，加号对应于波源远离接收器移动。当波源和接收器都在运动时，上述两个公式可以组合成

$$\mathrm{f=\left ( \frac{c\pm v_{r}}{c\pm v_{s}} \right )f_{0}}$$

c 用于表示波本身的速度。

此外，如果波源和接收器相互横向移动，则上述公式无效。横向多普勒效应不太明显，因此只有当波源/接收器的速度和波本身的速度相当可比时，其影响才可见。在这种情况下，表观频率的近似公式如下：

$$\mathrm{f=\left ( 1-\frac{v\cdot cos\theta }{c} \right )^{-1}f_{0}}$$

结论

多普勒效应是指波源或接收器非静止时波的频率变化现象。这种变化的大小称为多普勒频移。例如，某个声波的多普勒频移可能是 20 Hz。多普勒效应是一种错觉，频率并没有物理上改变。相反，它只是看起来与其实际值不同。频率的多普勒频移大致分为红移和蓝移，尽管这种区分是针对光波定义的。

红移是指由于多普勒效应引起的频率降低，而蓝移是指由于多普勒效应引起的频率增加。之所以这样称呼，是因为红色位于可见光区域的低频端，而蓝色位于高频端。“多普勒频移”和“多普勒效应”这两个术语经常被混用，但前者指的是频率变化的实际大小，而后者指的是频率变化的现象。也就是说，混用它们并非完全错误。

常见问题

Q1. 多普勒效应和多普勒频移能否独立存在？

A1. 不能。多普勒频移是频率变化大小的度量。频率变化仅由于多普勒效应而发生，因此两者必须同时存在。

Q2. 为什么警车有忽高忽低的警笛声？

A2. 由于多普勒效应，当警车经过他们身边时，警笛声会使附近的人听到频率突然变化。因此，警笛的频率会不断变化以防止这种情况。

Q3. 多普勒效应如何在测速雷达中使用？

A3. 多普勒雷达向目标发射一束微波，并在其反射时检测其频率的多普勒频移。此多普勒频移用于计算目标的速度。

Q4. 何时观察到多普勒效应？

A4. 只有当波源和接收器之间存在相对运动时，才会观察到多普勒效应。因此，如果它们以相同的速度沿相同的方向运动，则它们之间不会存在相对运动，因此不会观察到多普勒效应。

Q5. 为什么会发生多普勒效应？

A5. 当波源移动时，它发出的连续波峰在前面比在后面更紧密地间隔在一起。因此，频率似乎发生了变化。