Эффект Доплера

1.

Выполнила студентка группы АП-111
Гордиенко Наталья

2.

155 лет назад, 17 марта 1853 года умер профессор физики Венского университета
Кристиан Доплер (Christian Doppler). Он открыл физический эффект, который мы все
когда-либо наблюдали - изменение тона гудка приближающегося или удаляющегося
поезда. В первом случае он выше, а во втором ниже, чем у неподвижно стоящего.
Это легко объяснить. Тон звука, слышимый нами, зависит от частоты звуковой волны,
доходящей до уха. Если источник звука движется нам навстречу, то гребень каждой
следующей волны приходит чуть быстрее, так как был испущен уже ближе к нам.
Волны воспринимаются ухом, как более частые, то есть звук кажется выше. При
удалении источника звука, каждая следующая волна испускается чуть дальше и
доходит до нас чуть позднее предыдущей, а мы ощущаем более низкий звук.

3.

Кристиан Доплер
Кристиан Доплер родился 29 ноября 1803 года в
Зальцбурге.
В 1825 году окончил Политехнический институт в
Вене, с 1829 по 1833 преподавал высшую
математику в Вене. Затем, в течение полутора лет,
ему
пришлось
работать
клерком
на
хлопчатобумажной фабрике. Он даже хотел
эмигрировать в Америку, но получил приглашение
быть профессором в Праге, где проработал с 1835
по 1847 год. С 1847 года Доплер - профессор
Горной и Лесной академий в Хемнице (Венгрия), с
1848 года - член Венской Академии Наук. С 1850
года - профессор Венского университета.
В конце 1853 года у Доплера обострилось
заболевание туберкулёзом, и он вынужден был
поехать на лечение в Венецию, где после пяти
месяцев болезни, не дожив до 50 лет, 17 марта
1853 года скончался...

4.

Если источник звуковых или световых волн покоится
относительно однородной среды, где распространяются
колебания, то длина волны λ (λ — расстояние межу двумя
одинаковыми фазами колебаний) по всем направлениям
будет одной и той же. Но стоит источнику колебаний
сообщить движение в каком-то заданном направлении, как
тут же длина волны будет меняться в зависимости от
величины скорости источника и направления приёма волн.
Изменение длины волны произойдет и в том случае, если
источник покоится, а приёмник перемещается. Поскольку
длина волны ( λ ), период ( T ) и частота колебаний ( f )
взаимосвязаны ( λ = c/f = cT ), то можно говорить об
изменении T и f.

5.

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
испускаемую им волну, то длина волны уменьшается. Если
удаляется — длина волны увеличивается.
где ω0 — 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).

6.

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.

7.

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 c — скорость света, v — скорость источника относительно приёмника
(наблюдателя), θ — угол между направлением на источник и вектором скорости в
системе отсчёта приёмника. Если источник радиально удаляется от наблюдателя,
то θ = 0, если приближается — θ = π.
Релятивистский эффект Доплера обусловлен двумя причинами:
классический аналог изменения частоты при относительном движении источника
и приёмника;
релятивистское замедление времени.
Последний фактор приводит к поперечному эффекту Доплера, когда угол между
волновым вектором и скоростью источника равен θ=π/2. В этом случае изменение
частоты является релятивистским эффектом, не имеющим классического аналога.

8.

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
или
поезд
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.

9.

Мы
рассмотрели
эффект
Доплера
применительно к звуковым волнам, но он в
равной мере относится и к любым другим.
Если источник видимого света приближается к
нам,
длина
видимой
нами
волны
укорачивается,
и
мы
наблюдаем
так
называемое фиолетовое смещение (из всех
видимых цветов гаммы светового спектра
фиолетовому соответствуют самые короткие
длины волн).
Если же источник удаляется, происходит кажущееся смещение в
сторону красной части спектра (удлинение волн).
Впервые надёжное экспериментальное установление оптического
явления Доплера и наиболее плодотворные его применения были
сделаны при наблюдении астрономических явлений.

10.

Первые лабораторные исследования оптического явления Допплера принадлежат А. А.
Белопольскому (1900 г.); его опыты были позже повторены Б. Б. Голицыным (1907 г.).
Белопольский увеличил скорость движения источника, использовав многократное
отражение от движущихся зеркал. Прибор Белопольского позволяет значительно
повышать скорость наблюдаемого источника, которым является п-е изображение
действительного источника.
Схема прибора моторами
В приборе Белопольского зеркала представляют собой радиальные лопасти двух колёс
(подобных пароходным), приводимым во вращение Окончательная скорость п-го
изображения ω была около 500 м/с (в опытах Белопольского 0,67 км/с; у Голицына от
0,25 до 0,35 км/с). Спектральным прибором для наблюдения смещения служил у
Белопольского трёхпризменный спектрограф, у Голицына — эшелон Майкельсона.
В последствии Фабри и Бюиссон (1919 г.) произвели подобные измерения более
простым способом, использовав большую разрешающую силу интерференционного
спектрографа.
Штарк наблюдал смещение спектральных линий, пользуясь в качестве источника света
быстро несущимися светящимися атомами в каналовых лучах. Из этих опытов можно,
пользуясь принципом Допплера, определить скорость каналовых лучей.

11.

По смещению линий спектра определяют
лучевую
скорость
движения
звёзд,
галактик и других небесных тел
С помощью эффекта Доплера 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 (300 000 км/с), то лучевая скорость
равна скорости света, умноженной на
изменение
длины
волны
любой
спектральной линии и делённой на длину
волны этой же линии в неподвижном
источнике.
По увеличению ширины линий спектра
определяют температуру звёзд.
Доказательство
вращения Земли вокруг
Солнца с помощью
эффекта Доплера.

12.

Американский астроном Э. Хаббл
обнаружил в 1929 г. явление,
получившее
название
космологического
красного
смещения и состоящее в том, что
линии в спектрах излучения
внегалактических
объектов
смещены в сторону меньших
частот (больших длин волн).
Оказалось, что для каждого
объекта относительное смещение
частоты совершенно одинаково по
всем частотам. Космологическое
красное смещение есть не что
иное, как эффект Доплера. Оно
свидетельствует о том, что
Метагалактика расширяется, так
что внегалактические объекты
удаляются от нашей Галактики.
Хаббл установил закон, согласно
которому относительное красное
смещение
z галактик растет
пропорционально расстоянию r до
них.
где H – постоянная Хаббла.

13.

Традиционный эффект Доплера
Обычно при объяснении эффекта Доплера
рассматривают покоящегося наблюдателя и
источник, движущийся по прямой.
Вращательная «модификация» эффекта Доплера
относится, как следует из названия, к наблюдениям
за
вращающимися
объектами (скажем,
за
планетами) и помогает определять их угловую
скорость.
Намереваясь перейти от хорошо изученных
астрономических примеров к проявлениям этого
эффекта в микромасштабе, авторы рассмотрели
фотоэлектронные
спектры.
Как
оказалось,
вращательное доплеровское уширение, впервые
отмеченное в экспериментальных данных такого
рода, хорошо согласуется с предсказаниями теории
и зависит от температуры и кинетической энергии
фотоэлектронов. Опыты подтвердили, что вклады
двух типов движения молекулы — вращательного и
линейного — в уширение спектральных линий
вполне сравнимы по значимости.

14.

Доплеровские измерители используются в различных целях во многих отраслях производства, транспорта, медицины, научных
и научно-практических исследований, а также в военном деле
Бортовые измерители
• Доплеровские измерители скорости и сноса для определения вектора путевой скорости самолёта, вертолёта. В настоящее
время в авиации применяются измерители только радиолокационного типа.
• Судовые доплеровские измерители — радиолокационные и гидроакустические
• Бортовые измерители локомотивов — радиолокационные и лазерные
• Доплеровские измерители в космонавтике
Технологические измерители
• Измерители скорости перемещения твёрдых тел — лазерные
• Измерители скорости потока жидких или сыпучих сред — ультразвуковые и лазерные, в т. ч. ультразвуковые
расходомеры
Медицинские измерители
• Доплеровский измеритель скорости кровотока — ультразвуковой
• Лазерные доплеровские флоуметры — анализаторы для неинвазивной диагностики микроциркуляционного
кровообращения
• УЗИ-доплер томографы
• Фетальные доплеры
Измерители для контроля транспортных потоков
• Измерители скорости движения транспортных средств — радиолокационные и лазерные
Гидро/метео измерители
• Лазерные доплеровские измерители в метеорологических исследованиях
• Гидроакустические доплеровские измерители в гидрологии, океанологии.
Системы охранной сигнализации
• Радиоволновые и ультразвуковые доплеровские извещатели для закрытых помещений
• Доплеровские системы сигнализации для открытых пространств
Измерители военно-технического и разведывательного назначения

15.

Акустический доплеровский измеритель течения (ADCP) —
это прибор для измерения профиля течения в водной толще,
основанный на доплеровском эффекте. Применяется в
океанологии и гидрологии.
Прибор периодически излучает звуковой сигнал определённой
частоты, который отражается от планктона и мелких пузырьков
воздуха. Измеряя смещение частоты отражённого сигнала
относительно частоты базового сигнала и время его прихода
можно получить оценку скорости течения на определённой
глубине. Обычно применяют не один а четыре излучателя
звукового сигнала, что увеличивает точность и позволяет
определять направление течения.
Четыре акустических излучателя
ADCP

16.

Доплеровский измеритель скорости - радиотехническое
устройство для дистанционного измерения скорости движущихся
объектов, действие которого основано на эффекте Доплера.
Доплеровский измеритель скорости содержит передатчик
(источник излучаемых радиоволн), антенну с направленным
излучением радиоволн, приёмник отражённых от объекта волн,
смеситель – устройство для выделения доплеровской частоты – и
индикаторное
устройство
(собственно
измеритель).
Доплеровские
измерители
скорости
используются
для
определения скорости движения летательных аппаратов,
кораблей, автомобилей и других объектов.

17.

Схема измерения скорости кровотока на основе эффекта Доплера:
от генератора 1 электрических колебаний УЗ-частоты сигнал
поступает на УЗ излучатель 2 и на устройство сравнения частот 3.
Ультразвуковая волна 4 проникает в кровеносный сосуд 5 и
отражается от движущихся эритроцитов 6. Отраженная
ультразвуковая волна 7 попадает в приемник 8, где преобразуется
в электрическое колебание и усиливается. 9 – Мягкие ткани, в
глубине которых расположен сосуд.

18.

Что можно обнаружить с помощью доплер УЗИ?
сгустки крови или сосуды с заблокированным кровотоком
в различных частях тела, особенно в шее, руке или ноге.
Заблокированные или суженные шейные артерии могут
вызвать головокружение , нарушение зрения, параличи,
слабость, нарушение чувствительности, другие признаки
инсульта. Сгустки крови в глубоких венах ног могут
вызвать боли, отечность ноги, увеличить риск легочной
эмболии.
возможно оценить боль в ноге, вызвана ли она
перемежающейся хромотой, что связано, в свою очередь, с
атеросклерозом нижних конечностей.
оценивается кровоток после инсульта или другого
состояния, которое могло вызвать проблемы с кровотоком.
Можно оценить кровоток с помощью такого метода, как
транскраниальное
доплеровское
ультразвуковое
исследование.
оценивается наличие варикозно расширенных вен.
анатомия строения венозных сосудов, что может
понадобиться для оценки условий для пересадки ткани на
сосудистой ножке, при необходимости шунтирования.
- оценивается кровоток в пересаженной почке или печени
- оценка кровотока после операции на кровеносном сосуде
оценка
наличия,
количества,
местоположения
артериальных сосудов. Нарушение снабжения мозга
артериальной кровью может привести к инсульту.

19.

Мониторинг сердечного ритма ребенка с
помощью прибора, основанного на эффекте
Доплера.
Мамы наконец смогут испытать радость, слушая
сердце
своего
нерожденного
ребенка.
Встроенный динамик с наушниками позволяет
прослушать сердце ребенка.

20.

В последние годы возникла и получила широкое распространение
пикосекундная
спектроскопия
фотобиологических
объектов,
позволяющая изучать быстрые фотофизические и фотохимические
реакции. Смысл пикосекундной спектроскопии — мгновенное
возбуждение молекул ультракоротким лазерным импульсом с
последующим тестированием другими импульсами или обычным светом
кинетики релаксации системы к состоянию равновесия, изменений
физического и химического состояния по оптическим параметрам. При
этом временная развертка в ультракоротких интервалах осуществляется
с
помощью
скоростных
электрооптических
затворов
или
быстродействующих электронно-оптических преобразователей. Таким
способом удалось определить время колебательных возбужденных
состояний ряда органических молекул (1(Н2—10~ис), оценить скорость
первичных превращений в пигментах и родопсине. Ценную информацию
дают лазерные методы спектроскопии с использованием эффектов
Доплера, рамановского и рэлеевского рассеяния света, интерферометрии.
В частности, по изменениям монохроматической длины волны лазерного
луча при рассеянии на движущихся частицах (эффект Доплера) можно
определить скорость движения биологических объектов, например
клеток, клеточных органелл, потоков цитоплазмы.

21.

Возможность существования обратного
эффекта Доплера в особых средах
предсказал советский ученый Виктор
Веселаго. Несколько лет назад ученые
наблюдали
его
проявления
в
радиочастотных волнах, и, наконец, впервые
в
оптическом
диапазоне.
Для демонстрации необычного эффекта
исследователи из Австралии и Китая
вырастили наноструктурный кристалл из
кремния,
уникальную
фотонную
суперпризму
с
отрицательным
коэффициентом преломления. Направляя
лазерный луч на призму и изменяя
расстояние между ней и детектором,
ученым
удалось
зарегистрировать
обратный эффект Доплера, когда при
приближении объектов свет «краснеет», а
при удалении «синеет».
“Мы
смогли
«перевернуть»
это
природное
явление
благодаря
созданию искусственного материала с
отрицательным
показателем
преломления, объясняет профессор
Мин
Гу
(Min
Gu),
директор
австралийского
Центра
микрофотоники (Swinburne’s Centre for
Micro-Photonics). Если стандартный
эффект Доплера давно используют в
астрономии,
биодиагностике,
медицине и радарах, то обратный
эффект Допплера может в будущем
привести
к
разработке
новых
технологий,
например,
созданию
«шапки-невидимки»”.