多普勒效应与火车汽笛声变化

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?这是物理学中的多普勒效应，当波源移动，接收者接收到的频率等于波速除以波长。当火车开过来时，波长相当于压缩变短了，所以接收到的频率升高了，声调听起来就高;当火车远离的时候，相当于波长拉长了，所以频率降低了，声调听起来就低。它是用发现者克里斯琴·约翰·多普勒的名字命名的。多普勒是奥地利物理学家和数学家。他于1842年首先发现了多普勒效应。

从理论上定量分析得到f1=f(u±v0)/(u－+vs)，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，f1为观察到的频率，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;当观察者背离波源运动时，v0取负号。当波源朝观察者运动时vs前面取负号;当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。

声波的多普勒效应也可以用于医学的诊断，也就是人们平常说的彩超。彩超简单地说就是高清晰度的黑白B超再加上彩色多普勒。超声频移诊断法应用多普勒效应原理，当声源与接收体(即探头和反射体)之间有相对运动时，回声的频率有所改变，此种频率的变化称之为频移。彩声多普勒超声一般是用自相关技术进行多普勒信号处理，把自相关技术获得的血流信号经彩色编码后适时地叠加在二维图像上，即形成彩色多普勒超声血流图像。由此可见，彩色多普勒超声即具有二维超声结构图像的优点，又同时提供了血流动力学的丰富信息，在临床上被誉为“非创伤性血管造影”。

光也会发生多普勒效应，它又被称为多普勒—斐索效应。因为法国物理学家斐索(1819—1896年)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。光波频率的变化使人眼感觉到的是颜色的变化。如果恒星远离我们而去，观察到的光波频率会减小，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，观察到的光波频率会增大，光的谱线就向紫光方向移动，称为蓝移。

首先发现光谱红移现象是美国天文学家斯莱弗，他在20世纪20年代研究远处旋涡星云发出的光谱时，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。根据星云的红移现象，1948年伽莫夫(G．Gamow)等人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，天文学家将这一模型称为宇宙的“标准模型”。

科学家们发现从遥远的星系发来的光，其谱线非常明显地移向可见光谱的红端，即低频端。这种现象可以解释为是由光源的退行速度所引起的多普勒效应，也叫退行红移。这个不寻常的观测事实，为宇宙创生的“大爆炸”理论提供了依据，按照该理论，宇宙是在大约150亿年以前由一次大爆炸形成的。宇宙在以极快的速度向外膨胀。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，英国天文学家哈金斯用这种办法测量了天狼星远离地球而去的速度，得出了46千米/秒的速度值。