Доплеровское смещение | это… Что такое Доплеровское смещение?
Источник волн перемещается налево. Тогда слева частота волн становится выше (больше), а справа — ниже (меньше).
Эффе́кт До́плера — изменение частоты и длины волн, регистрируемых приёмником, вызванное движением их источника и/или движением приёмника. Его легко наблюдать на практике, когда мимо наблюдателя проезжает машина с включённой сиреной. Предположим, сирена выдаёт какой-то определённый тон, и он не меняется. Когда машина не движется относительно наблюдателя, тогда он слышит именно тот тон, который издаёт сирена. Но если машина будет приближаться к наблюдателю, то частота звуковых волн увеличится (а длина уменьшится), и наблюдатель услышит более высокий тон, чем на самом деле издаёт сирена. В тот момент, когда машина будет проезжать мимо наблюдателя, тот услышит тот самый тон, который на самом деле издаёт сирена. А когда машина проедет дальше и будет уже отдаляться, а не приближаться, то наблюдатель услышит более низкий тон, вследствие меньшей частоты (и, соответственно, большей длины) звуковых волн.
Для волн, распространяющихся в какой-либо среде (например, звука) нужно принимать во внимание движение как источника так и приёмника волн относительно этой среды. Для электромагнитных волн (например, света), для распространения которых не нужна никакая среда, имеет значение только[1] относительное движение источника и приёмника.
Эффект был впервые описан Кристианом Доплером в 1842 году.
Также важен случай, когда в среде движется заряженная частица с релятивистской скоростью. В этом случае в лабораторной системе регистрируется черенковское излучение, имеющее непосредственное отношение к эффекту Доплера.
Содержание
|
такжеСущность явления
Если источник волн движется относительно среды, то расстояние между гребнями волн (длина волны) зависит от скорости и направления движения. Если источник движется по направлению к приёмнику, то есть догоняет испускаемые им волны, то длина волны уменьшается. Если удаляется — длина волны увеличивается.
где f0 — частота, с которой источник испускает волны, c — скорость распространения волн в среде, v — скорость источника волн относительно среды (положительная, если источник приближается к приёмнику и отрицательная, если удаляется).
Частота, регистрируемая неподвижным приёмником
| (1) |
Аналогично, если приёмник движется навстречу волнам, он регистрирует их гребни чаще и наоборот. Для неподвижного источника и движущегося приёмника.
| (2) |
u — скорость приёмника относительно среды (положительная, если он движется по направлению к источнику).
Подставив значение частоты из формулы (1) в формулу (2), получим формулу для общего случая.
| (3) |
Релятивистский эффект Доплера
В случае электромагнитных волн формулу для частоты выводят из уравнений специальной теории относительности.Так как для распространения электромагнитных волн не требуется материальная среда, можно рассматривать только относительную скорость источника и наблюдателя.
где с — скорость света, v — относительная скорость приёмника и источника (положительная в случае их удаления друг от друга).
Как наблюдать эффект Доплера
Не меняющий своего местоположения микрофон записывает звук, издаваемый сиренами двух движущихся влево полицейских машин. Снизу можно видеть частоту каждого из двух звуков, принимаемую микрофоном.
Поскольку явление характерно для любых колебательных процессов, то его очень легко наблюдать для звука. Частота звуковых колебаний воспринимается на слух как высота звука.
Надо дождаться ситуации, когда быстро движущийся автомобиль будет проезжать мимо вас, издавая звук, например, сирену или просто звуковой сигнал. Вы услышите, что когда автомобиль будет приближаться к вам, высота звука будет выше, потом, когда автомобиль поравняется с вами, резко понизится и далее, при удалении, автомобиль будет сигналить на более низкой ноте.
Применение
Доплеровский радар
Радар, который измеряет изменение частоты сигнала, отражённого от объекта. По изменению частоты вычисляется радиальная составляющая скорости объекта (проекция скорости на прямую, проходящую через объект и радар). Доплеровские радары широко применяются в самых разных областях: для определения скорости летательных аппаратов, кораблей, автомобилей, гидрометеоров (например, облаков) и других объектов.
Доказательство вращения Земли вокруг Солнца с помощью эффекта Допплера.
Астрономия
- по смещению линий спектра определяют скорость движения звёзд
С помощью ЭД по спектру небесных тел определяется их лучевая скорость.
Изменение длин волн световых колебаний приводит к тому, что все спектральные линии в спектре источника смещаются в сторону длинных волн, если лучевая скорость его направлена от наблюдателя (красное смещение), и в сторону коротких, если направление лучевой скорости – к наблюдателю (фиолетовое смещение). Если скорость источника мала по сравнению со скоростью света (300000км/с), то лучевая скорость равна скорости света, умноженной на изменение длины волны любой спектральной линии и деленной на длину волны этой же линии в неподвижном источнике.
- по увеличению ширины линий спектра определяют температуру звезд
Неинвазивное измерение потока жидкости
С помощью эффекта Доплера измеряют скорость потока жидкостей. Преимущество этого метода заключается в том, что не требуется помещать датчики непосредственно в поток. Скорость определяется по рассеянию ультразвука на неоднородностях среды (частицах взвеси, каплях жидкости, не смешивающихся с основным потоком, пузырьках газа).
Автосигнализации
Для обнаружения движущихся объектов вблизи и внутри автомобиля
Примечания
- ↑ В первом приближении. На самом деле скорость света через прозрачную среду зависит от скорости движения этой среды. См. опыт Физо.
См. также
- Красное смещение
- Фиолетовое смещение
- Эффект Черенкова
Ссылки
- Применение эффекта Доплера для измерения течений в океане
Лаборатория «Геодезическая акустическая мода в токамаках»
Программа управляемого термоядерного синтеза в настоящее время ориентирована на использование замкнутых магнитных систем типа токамак и стелларатор. В этих тороидальных установках доминируют аномальные процессы переноса энергии и частиц плазмы. Аномальный перенос обусловлен турбулентной конвекцией, которая возникает при развитии неустойчивостей в плазме. Проблема контроля и подавления аномальных переносов связана с задачей выяснения механизмов стабилизации и насыщения неустойчивости.
Сейчас рассматриваются механизмы подавления турбулентных возмущений плазмы, обусловленные неоднородностью (широм) скорости дрейфа в радиальном электрическом и тороидальном магнитном полях тороидальных ловушек. Примечательно, что такие сдвиговые потоки могут возникать вследствие развития самой неустойчивости. Это явление возникновения средних упорядоченных потоков из-за хаотических перемещений элементов жидкости было предсказано О. Рейнольдсем. Им было введено так называемое напряжение Рейнольдса, как среднее от произведения проекций скорости турбулентных колебаний FRey ~ , которое определяет величину и направление упорядоченных потоков, получивших название зональные потоки. Зональные потоки были обнаружены при развитии турбулентности в жидкостях, в турбулентных атмосферах планет и в плазме тороидальных ловушек. Наиболее яркий пример таких зональных течений представляют собой течения в атмосфере планеты Юпитер, которые видимы как полосы, вытянутые в широтном направлении. В плазме токамаков зональные потоки проявляются как вращения плазмы вокруг малой (магнитной) оси тора, т.
е. в направлении дрейфа в скрещенных электрических Er и магнитных B0 полях. В плазме токамаков развивается также так называемая высокочастотная разновидность зональных потоков, которая называется геодезической акустической модой (ГАМ). Она проявляется как гармонические колебания скорости дрейфа в скрещенных полях. Как разновидность зонального потока, ГАМ приводит к появлению шира скорости и, тем самым, может способствовать подавлению турбулентности плазмы и уменьшению аномальных переносов.
Исследование зональных потоков и ГАМ в плазме токамака представляет собой сложную задачу. Прежде всего, надо найти способ измерения потоков плазмы, а главное, этот способ должен быть реализован в плазменной среде с температурой порядка миллиона градусов. В такой среде использование любых контактных методов, таких как зондовые или сенсорные методы, невозможно. На кафедре физики плазмы впервые был предложен и реализован на токамаке ТУМАН-3М бесконтактный метод определения скоростей вращения плазмы по допплеровскому смещению частоты сверхвысокочастотного (СВЧ) излучения, обратно рассеянного на флуктуациях плотности плазмы (метод допплеровской рефлектометрии (ДР)).
В дальнейшем этот метод нашел применение на сталлараторе W7-AS и на токамаках ToreSupra, ASDEX-Upgrade, DIII-D, EAST.
Обратное СВЧ рассеяние можно сопоставить с дифракцией излучения на двигающейся дифракционной решетке в минус первый порядок (в направлении обратном падающей волне). Движение решетки со скоростью V порождает допплеровское смещение излучения, испытавшего дифракцию — Δω = 2πV/Λ, где Λшаг решетки, равный при обратном рассеянии λ0/2sin(ϑtilt) (λ0 – длина волны излучения, падающего на решетку под углом ϑtilt). По измеренной величине Δωможно определить скорость V.
Реально в плазме токамака в качестве решетки выступают периодические возмущения коэффициента преломления, обусловленные флуктуациями плотности плазмы, а падающее и рассеянное излучение, в отличие от вакуумного случая, испытывают рефракцию и распространяются по криволинейным траекториям. Реализация метода требует создания сложных СВЧ схем зондирования плазмы, приема и анализа обратно рассеянного излучения.
Адекватной является и система сбора и обработки экспериментальных данных. В создании и использовании таких схем на токамаках принимают участие студенты кафедры при подготовке бакалаврских и магистерских диссертаций. В результате обработки данных появляется возможность определять скорость вращения и регистрировать ГАМ, как колебания скорости вращения плазмы. Эксперименты, проведенные с использованием ДР, позволили обнаружить ГАМ на токамаках ТУМАН-3М, ФТ-2 и Глобус-М лаборатории физики высокотемпературной плазмы ФТИ им. А.Ф. Иоффе РАН. Были определены условия возникновения ГАМ, область их локализации в токамаке, спектральные характеристики.
Примеры спектров колебаний скорости, определенных как спектры колебаний допплеровского частотного сдвига на токамаках Глобус-М и ТУМАН-3М, приведены на рисунках. Видны выделенные спектральные пики, которые соответствуют частотам ГАМ для плазмы с ионами водорода и дейтерия. Эксперименты в данном направлении продолжаются. Одной из основных задач остается выяснение влияния ГАМ и зональных потоков на турбулентные возмущения плазмы и аномальный перенос.
:
По вопросам дипломной работы в данном направлении обращайтесь к Буланину Виктору Викторовичу
Некоторые публикации по этой тематике:
- В.В. Буланин, С.В. Лебедев, Л.С.Левин, В.С. Ротерштейн, Рефлектометрические исследования колебаний плазмы в токамаке ТУМАН 3М при наклонном падении зондирующего излучения// Физика плазмы, Т.26, No10, (2000), стр. 1-7
- Leerink, V.V. Bulanin, A. D. Gurchenko et al, Multiscale Investigations of Drift-Wave Turbulence and Plasma Flows: Measurementsand Total-Distribution-Function Gyrokinetic Simulations //Physical Review Letters, PRL 109, 165001-4 (2012)
- Yu. Yashin, V.V. Bulanin, V.K. Gusev et al, Geodesic acoustic mode observations in the Globus-M spherical tokamak // Nucl. Fusion 54 (2014) 114015
- V. Bulanin, L.G.Askinazi, A.A.Belokurov, GAM observation in the TUMAN-3M tokamak // Plasma Phys. Control. Fusion 58 (2016)
Доплеровский сдвиг
Доплеровский сдвиг Свет от движущихся объектов будет иметь разную длину волны.
Наблюдатели, смотрящие на удаляющийся от них объект, видят свет, который имеет большую длину волны, чем он был, когда он был испущен (красное смещение), в то время как наблюдатели, смотрящие на приближающийся источник, видят свет, который смещается в сторону более коротких волн (синее смещение).
Схематическая диаграмма ниже показывает галактическую звезду внизу слева с
его спектр в правом нижнем углу.
Спектр показывает темные линии поглощения, впервые замеченные Фраунгофером.
Эти линии можно использовать для идентификации химических элементов в отдаленных
звезды, но они также сообщают нам лучевую скорость.
Остальные три спектра и изображения снизу вверх показывают
галактика, галактика среднего расстояния и далекая галактика.
Снимки слева негативы, конечно, поэтому самые яркие
части галактик черные. Обратите внимание, как
картина линий поглощения смещается в красную сторону по мере того, как галактики становятся
слабее.
В покоящейся относительно нас звезде или в лабораторном эталоне, длина волны линии 393 и 397 нм от Ca II [ионизированный кальций]; 410, 434, 486 и 656 нм от H I [атомарный водород]; 518 нм от Mg I [нейтральный магний]; и 589 нм от Na I [нейтральный натрий]. Измерив величину сдвига в красную сторону, мы можем определить, что яркая галактика удаляется со скоростью 3000 км/сек, что составляет 1 процент скорости света, потому что его линии сдвинуты по длине волны на 1 процент в минус. Красное смещение z определяется так что:
которыйлямбда (наблюдаемая) 1+г = ---------------- лямбда (испускаемая)
397 401 414 438 491 523 595 663
1+z = --- = --- = --- = --- = --- = --- = --- = --- = 1,01
393 397 410 434 486 518 589 656
в этом случае z = 0,01 для яркой галактики. Лучевая скорость обычно
аппроксимируется формулой v(rad) = cz, где c — скорость света,
Галактика средней яркости удаляется
со скоростью 15 000 км/сек при z = 0,05, а самая слабая и самая далекая галактика
удаляясь со скоростью 75 000 км/сек с z = 0,25.
Часто задаваемые вопросы | Возраст | Расстояния | Библиография | относительность
© 1996-2002 Эдвард Л. Райт. Последнее изменение 23 февраля 2002 г.
Эффект Доплера для звука
Эффект Доплера для звука Вы слышите высокий тон сирены приближающейся машины скорой помощи и замечаете, что ее тон внезапно падает, когда машина проезжает мимо вас.
| Индекс Концепция бегущей волны | |||||
| Вернуться |
Это называется эффект Доплера. При проезде автомобиля с сиреной будет наблюдаться заметное понижение высоты звука сирены при прохождении автомобиля. Это пример эффекта Доплера. Приближающийся источник приближается во время
период звуковой волны, поэтому эффективная длина волны укорачивается, давая
более высокий тон, так как скорость волны неизменна.
| Index Концепции бегущей волны Концепции допплера | ||||
| Назад |
Точно так же
высота удаляющегося источника звука будет снижена.Скорость звука определяется средой, в которой он распространяется, и поэтому она одинакова для движущегося источника. Но частота и длина волны меняются. Длины волн движущегося источника определяются выражением отношения ниже. Иногда удобно выразить изменение длины волны в виде доли длины волны источника для стационарного источника:
| Index Концепции бегущей волны Концепции допплера | ||||
| Назад |
При температуре C = F скорость звука в воздухе м/с. |
