光的多普勒效应

时间：2024-03-13 14:54:32编辑：奇事君

既然有光速不变原理，那为什么光还会受到多普勒效应的影响呢？

光速不变原理与多普勒效应完全属于两个概念，光速并不受多普勒效应影响。题主会有这样的问题，说明你可能把“ 波的速度 ”与“ 波长的变化 ”的关系搞错了，这里面可能有些概念混淆。简单来理解下，光速不变与多普勒效应的基本概念。光速不变 “光速不变”现在基本上已经成为了科学界对世界的一个基础认知，至于为什么光速不变？还没有人能给出一个清晰、准确、并得到公认的答案。不过，能佐证光速不变的理论和实验，都已得到了科学界的承认。理论方面，麦克斯韦最早在他的电磁学理论中，提出电磁波的传播速度只与真空介电常数ε0和真空磁导率μ0相关，后来证明了光就是电磁波，说明光的速度只能是一个常数，表达式为C=1/ε0μ0。实验方面，本来想证明“以太”存在的迈克尔逊-莫雷实验，反而终结了“以太说”，成为了证明光速不变的经典实验。迈克尔逊-莫雷实验原理简述：小球表示光的运动轨迹，若以太存在，则红色光球和蓝色光球经透射与反射到达干涉仪时，会出现时间差（动图右）并出现明确的干涉条纹。但实际情况确实（动图左），所以以太不存在，且光速不变。虽然后来也有一些理论学说，发现了迈克尔逊-莫雷实验的不完备，继续支持光速可变。比如1908年瑞士物理学家里兹发表的“发射假说”，即光速会跟随光源运动速度的改变而改变。不过这种说法，后来很快就被各种实验所否定了。比如，双星观测、以及运动版的迈克尔逊-莫雷实验。从此，我们知道光就像一个逍遥浪子。从不停歇，从不回头。不会因为别人怎么样而动摇自身的步调，每秒30万公里是光对世界永远的承诺。光速不变，已成为了当今物理学界一条牢不可破的“公理”。什么又是多普勒效应呢？多普勒效应，简单来说就是当一个信号源向你靠近时，你接收信号的波长会变短，而当一个信号源远离你时，你接受的信号波长会变长。比如，你以一个固定的音调吹笛子，不同远处的人听到的笛声大小或许不一样，但都会听到同一个音调。以“哆唻咪发唆啦西”音调变化来说，但当你吹着笛子靠近听笛声的人时，原本你一直吹地是“咪”这个音，但在他们的耳中，他们会听成“发”这个音，也就是音调变高了。而相反，如果你吹着笛子，远离他们，他们听见的音调可能就变成了“唻”。明明只发出同样一个音，为什么随着吹奏者的运动，给听者的感受完全不一样？其本质就是因为声音是一种波，我们称为声波。而是波就会有波长，对于声波来说波长越长，音调就越低，波长越短，音调也就越高。声波是通过空气的震荡传到我们的耳中的。吹奏者作为一个声源，相当于就在空气中制造一个波，而要制造一个完整的波，先要制造一个波头，再制造一个波尾。如果，吹奏者向聆听者靠近，波头制造出来时在一个位置，而波尾制造出来时相当于波头出来时的位置前进了一小段，而这段距离是要被算在新制造的波的波长里的。所以实际波长减小了，频率就增加了，体现出来的音调就变高了，反之亦然。因此我们能得出一个结论，多普勒效应与一个信号源的移动速度相关，而在相对论里对于光速的描述也有一种重要结论，就是光速与光源运动无关。所以，光的多普勒效应并不会造成光速改变。那光的多普勒效应改变的是什么呢？光的多普勒效应光作为一种波，在恒定的速度下，遵循多普勒效应，频率与波长可以发生此消彼长的变化。就像一个高个子和一个矮个子，两个人500米长跑比赛都同时到达终点，也就是说他们两个速度是一样的，但是由于高个子腿长步子大，他的换腿频率是低，而矮个子的腿短步子小，他的换脚频率就高。步子和换腿频率，就相当于波长与振动频率。在同样的速度下，多普勒效应会导致光在不同波长及不同频率之间变化，在我们视觉上，表现出颜色的变化，这又被称为“ 多普勒-斐索效应 ”。这由法国物理学家斐索于1848年独立提出，它解释了来自恒星的波长偏移现象。利用这种效应也就成了测量恒星之间相对速度的一个有效办法。 “多普勒-斐索效应”也是造成我们最熟悉的“ 光谱红移 ”与“ 光谱蓝移 ”的原因之一，恒星远离即红移，恒星靠近即蓝移。总的来说，声音与光的多普勒效应，一个带来音调变化，一个带来了颜色变化。值得注意的是，光谱红移除了“多普勒-斐索效应”，还有“ 宇宙膨胀 ”也可以造成同样的结果，然而它们的成因是完全不同的。“多普勒-斐索效应”是在光源移动发射出光的瞬间就完成的，而“宇宙膨胀”导致的红移，是在光传播过程中慢慢形成的。所以，当年哈勃观察到星系退行，并认定是多普勒效应造成了星光红移的说法是错误的，不过它的结论却是正确的。总结简单来看，波速只和介质相关，光在真空中不需要介质，那它的速度就和任何东西无关。光和时空，可能是宇宙中最神秘的东西。而探寻它们的关系，是物理学永远要探讨的课题。就像同样的元素，不同的空间结构组合方式，却能产生不一样的物质，这不得不让人称奇。而光速不变背后最隐秘的成因，是值得后世科学家们一直探寻的终极话题。光速不变原理、光的多普勒效应这两者不存在矛盾关系，恰恰相反正是有了光速不变原理，才有了狭义相对论，之后才有了光的多普勒效应的解释。多普勒效应这个词我们并不陌生，中学时期的物理课程上就已经听过学过，比如常见的机械波（如声波）的多普勒效应，原因起自波源与观测者之间存在相对运动，而题目中提到的光的多普勒效应，原则上来讲也是因为波源与观测者存在相对运动而引起的，但需要考虑相对论的修正。用一个简单的例子，以一个简单的说法来解释一下光的多普勒效应假设地面上有一发射单色光（即波长恒定）的波源，由波长可以确定光波的周期为定值T1，而小明身上带有一个灵敏度非常高的接收仪器，可以测出光波的变化。首先小明以一定的速度远离波源，那么波源发出的光想要被小明接收，势必要经过一段路程的追及才行，而这个过程则需要一定时间才能完成，显而易见波源自身测得的周期T1肯定与小明测得的周期T2不一致。那么两个周期之间存在的关系是否可以表示出来呢？答案是可以，数学推导不难，有兴趣的读者朋友可以试一试。但如果仅仅依靠上段所讲的方面进行推导，你会发现推导出来的结果和教材上的公式完全对不上，这是什么原因呢？很简单，因为你没有考虑狭义相对论中的运动钟慢效应。如果一些读者朋友正好还熟悉狭义相对论，那么你将这个钟慢效应加进去就你得到正确的光多普勒效应的公式了。由此可见，光速不变原理（代表狭义相对论）与光的多普勒效应之间非但不存在矛盾，而前者恰恰是后者的原理解释。光的多普勒效应具体表现就是当波源与观测者相互远离时，观测者测得的波长要比波源处测得的长，表现为红移，反之就是蓝移。补充一点知识：此外还有一种红移——“ 引力红移 ”被经常提到，以地球为例，一束单色光向上发出，位于地面上方不同高度处的波长是不一样的，与上文提到了运动钟慢效应类似，这个是因为引力钟慢效应引起的。期待您的点评和关注哦！多普勒效应我们上学时就知道了多普勒效应是1942年由奥地利的物理学家、数学家约翰.多普勒提出的一个波源运动现象：物体辐射的波长因光源及观察者的相对运动而变化。如果在波源前方，波会被压缩，波长变短，频率变高，观察者会看到红色，称为“红移”；如果在波源后方则相反，频率变低，速度变快，效应增加，就出现“蓝移现象”。科学家可以根据光波的红/蓝移不同程度计算出波源的运动速度。多普勒效应在天文学、医学、车辆速度等各领域都有广泛应用。1929年哈勃就是观察到星系红移现象，为宇宙膨胀学说提供了有力证明。很多人将多普勒效应理解为基于牛顿的力学体系的速度叠加。光速不变原理光速不变原理是爱因斯坦在1905年提出的狭义相对论中的第二个基本原理（第一个是相对性原理），它适用于一切惯性参考系，速度都是以c（3 10⁸米/秒）运动。也就是说，无论观察者在光源任何位置，光的速度都是不变的。这就颠覆了牛顿的绝对时空体系，也与多普勒效应切然不同了。科学家根据这一原理研制出了GPS导航，但它仍然会受到多普勒效应影响，在修正了一些数据后才使地理位置测量得精确。这是由于光在运动中会产生尺缩效应，而使时间产生钟慢效应。该原理是基于伽利略相对性及麦克斯韦方程组而来，它在相对静止的参考系中测得。多普勒效应也说明光在不同坐标系中是不一样的；因此，光速不变原理应该修订为“在任何一个坐标系中发出的光，在自己坐标系中的光速不变”。其实，光速也是变化的，只是目前的测试技术无法测准而已。光也不是宇宙速度极限，光速只是宇宙中低速系统的上限，在高速和超高速速度中，光速只是一个最低速度，宇宙的极限速度是无穷大。在某一个惯性系里两个物体的速度已知，相对论速度叠加公式计算的是在一个物体参考系中另一个物体的速度；而仍在此参考系中看两物体的“分离速度”，即两者的位置矢量差随时间的导数，则仍然是两者在此惯性系里的速度之差。这个意义下的速度不受光速不变原理约束，也可以超过光速，不违反相对论的要求。因此相对论多普勒效应和非相对论情况推导差不多，注意光速不变并加上钟慢效应修正就好。至于题主的一些问题，我下面做详细回答。什么是光的多普勒效应多普勒效应是波源和观察者有相对运动时，观察者接受到波的频率与波源发出的频率并不相同的现象。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。因法国物理学家斐索于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感觉到是颜色的变化。如果恒星远离我们而去，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，光的谱线就向紫光方向移动，称为蓝移。什么导致了光的多普勒效应这就不得不说一个很重要的现象的证实，那就是宇宙膨胀！宇宙膨胀学说在刚开始提出时，大多数科学家是不认同的，爱因斯坦也同样如此，所以在他的场方程式中他引入了宇宙参数。但美国天文学家哈勃于1929年通过发现红移现象，确认遥远的星系均远离我们地球所在的银河系而去，同时它们的红移随着它们的距离增大而成正比地增加。他随后邀请了爱因斯坦亲自观测，爱因斯坦承认了自己的错误，宇宙膨胀的认识让人类对宇宙的探索走出了重要的一步。因此当一颗恒星，远离观测者而运动时，其光谱将显示相对于静止恒星光谱的红移，因为运动恒星将它朝身后发射的光拉伸了。类似地，一颗朝向观测者运动的恒星的光将因恒星的运动而被压缩，这意味着这些光的波长较短，因而称它们蓝移了！仙女座星系的光谱显示的就是蓝移。光的多普勒效应与光速不变原理矛盾吗？光频率的变化与光速大小无关，光不遵守经典物理学中的速度矢量性原理，即使一个光源向你运动，你也不可以拿光源速度加上光速c得到你观测到的光速，光速不变原理是所有近代物理学理论的一个基本假设。可见光的多普勒效应与光速不变原理并不矛盾。光是电磁波吗按照现代物理学理论，光本身即属于电磁波，因为有物理学证据，即凡是光的反射、折射、衍射、干涉等现象及定律在电磁波中都存在都适用，所以认为光就是电磁波。光又有区别于一般电磁波的特性，所以光具有波粒二象性，即光既具有波的特性，如干涉、衍生等现象；光同时又具有一般粒子束的特性，即光具有粒子性。而电磁波不具有粒子性。以上是我对问题“既然有光速不变原理，那为什么光还会受到多普勒效应的影响呢？”的回答，欢迎大家在评论中与我交流讨论。因为光是电磁波，是交替变化的电磁场。没有质量没有惯性，电磁场生成瞬间，就脱离光源，独立存在了。所以不管光源如何运动，都不会加速和减速，已经脱离光源而独立存在的光。所以光速不变，由于光速不变，才能产生多普勒效应。光源产生光，发出光是一点点产生的。产生一丁点儿电磁场质点，无限小时就脱离光源独立存在了。如果光源运动方向和光传播方向一致，就会使组成光的质点变密，每个波就会被压缩。波长变小，频率变高。反之，频率变低。这就是多普勒效应，所有波都具有这种性质。观察到多普勒效应，反过来证明了光速不变。是一切波的性质。光速不变，是客观存在。不能用唯心的尺缩钟慢去凑合光速不变。这就是对光的诸多误解之一。首先，光不是波，何来的多普勒？光的波动说，带来了多少扭曲的解读。光速不变，光的静止质量为零，薛定谔的猫，尺缩钟慢，质能转化，宇宙大爆炸，等等。全是杜撰！观点：他俩并不矛盾。但是光要需要考虑时间膨胀。多普勒分为：人动，源不动；人不动，波源动。人动，源不动搞清楚一点就行，波不变。因为波源没动，波靠空气这种介质传播，空气也没换，人的运动并不会影响波的一切，包括介质、波速、频率。不管有没有你，这个波都照样传。多普勒效应中人向声源移动频率变高，这里的频率指的是人的接收频率，非波的频率。那为什么人向波源移动接收频率高？可以理解为相遇（追击）问题。什么是频率，就是一个人腿短，但是两腿换得快。另一个人腿长，但是换腿换得慢，两人赛跑，虽然速度一样，同时到达终点，腿短的频率高。当人向着波源移动时，相对速度是波速和人运动速度之和，速度快了，波长没变，频率就升高了。如果我们把波源比做一个车站，波就像一列很长的的小火车，从车站匀速驶出。情况一：观察者不动，波源不动，当你在车站外的轨道边时，1秒钟有5个车厢从你身边飞过。情况二：波源不动，观察者动了，当你坐在另一辆准备进站的火车上，正好与刚才那辆车出站的火车迎面而过，1秒钟从你身边飞驰而过的车厢肯定大于5个。相同时间车厢过去的多了，所以频率就高了。反之：当你远离波源运动，频率就小了。人不动，波源动。波源动了，所以波变了。人没动，人只管等着听，人接收到的频率是波给的，而波的频率，取决于波源的运动速度，所以我们要研究的是波的运动导致波的频率的变化。最容易出错的地方：波速取决于介质，如果介质没有变（或者不依靠介质），波速是不变的。电磁波真空中的传播速度约为30*10^8m/s，在空气中相差无几，也按这个记就行。声波在1个标准大气压和15 C的条件下约为340m/s，温度越高，传播速度越大。变得是频率与波长，就像上面说的腿短和腿长的人同时到达终点，腿短一步的距离小（波长短)，但是跨步的速度快（频率快）。腿长，一步的距离大（波长长），但是跨步的速度慢（频率快），两人赛跑，同时到达终点，速度一样（波速一样）。波源向接收者移动时，我们还用跑步来做比喻。我们以前体育课跑1km比赛时，老师一般不让学生同时从起点仪器跑，都是间隔一个一个跑，然后用秒表分别计时。我们假设每个同学跑得一样快2m/s（波速相同），第一个同学跑出去5秒后,相当于跑出去10米(波长)后第二个同学开始跑。但是有一天情况变了，体育老师开着车拉着同学们，第一个同学下车立刻相同速度2m/s，跑了相同间隔时间5s后第二个同学下车跑。不同的是车也有速度1m/s，当第一个同学跑出去10米，车同时行驶了5米，也就是第二个同学跟第一个同学相距5米，间隔变小了（波长变小了）。当同一起点时（波源不动），波长是10米，终点位置每隔5秒能接收到一个人。当波源变成汽车移动时，波长由10米变成了5米。终点每隔2.5秒就能接到一个人，接到人的频率变高了。反之车往相反的方向开，间隔变成了两个人的变成15米，终点每隔7.5秒才能接到一个人，频率变低了。光是什么情况？光是一种电磁波，能看见的光叫做可见光。电磁波是广义的光，分为可见光，不可见光，不可见光就是各种射线，红外线，紫外线等等。红光波长长，频率低，蓝光波长短，频率高。光还有个特性，当一束出现，无论是开着高速飞船或者静止的人，他们观察到的光速都是一样的。所以光不是简单的波速不变，而是波的相对速度也不变，只有波长和频率会改变。听不明白了？例子说明：当一艘飞船接近光速飞行，他打开前灯一瞬间，地球上的你观察到的灯光速是C，飞船速度接近光速C，两个都跑得都很快，所以光和飞船的差距是在慢慢拉大的，这是你看到的。但是船上的驾驶员，是懵圈的。因为即使飞船速度接近光速了，灯打开一瞬间，灯光早就以相对于飞船的速度C，跑得远远的，也就是说无论是地球上的你看到的光速，还是飞行中的飞船看到的光速相对自己都是C。说明什么？地球上的观察者看到的是飞船的慢速播放呀！飞船上的时间流速和地球上的时间流速不是同步的。这就是爱因斯坦《狭义相对论》的时间膨胀效应。上面说到的频率，飞船上的人看到它给出去的光的频率是这样的：而地球上的你观察到的频率是：所以光的多普勒效应需要加入狭义相对论的变换。多普勒效应是对应观察者，难道你看到多普勒效应的火车它的速度在变？

声音的多普勒效应？

多普勒效应：物体辐射的波长因为波源和观测者的相对运动而产生变化。在运动的波源前面，波被压缩，波长变得较短，频率变得较高（蓝移blue shift）。在运动的波源后面时，会产生相反的效应。波长变得较长，频率变得较低（红移red shift）；波源的速度越高，所产生的效应越大。根据波红（蓝）移的程度，可以计算出波源循着观测方向运动的速度。扩展资料：多普勒效应公式：观察者 (Observer) 和发射源 (Source) 的频率关系为：说明：1，为观察到的频率；2，为发射源于该介质中的原始发射频率；3，为波在该介质中的行进速度；4，为观察者移动速度，若接近发射源则前方运算符号为 + 号, 反之则为 - 号；5，为发射源移动速度，若接近观察者则前方运算符号为 - 号，反之则为 + 号。通过这个公式，我们就知道火车接近你的时候音调变化的原因：公式中分子是声音传播速度和观察者速度之和（v+v0），分母是声音传播速度和火车速度之差（v-vs），然后和声源原始频率（）进行乘法运算。观察者接受到的频率比火车笛声的原始频率变高，所以听到的火车鸣笛音调变高。反之，当观察者和火车远离的时候，分子减法运算变小，分母加法运算变大，计算得到的频率比火车鸣笛的原始声音频率变低，故听到音调变低。参考资料：百度百科----多普勒效应

简单陈述多普勒效应测声速的原理

亲亲，中午好呀～多普勒效应简单讲,就是信号源相对于观测点做运动时,观测到的信号频率会随着信号源的移动速度和角度的不同而发生变化。多普勒雷达就是利用多普勒效应进行定位，测速，测距等工作的雷达。所谓多普勒效应就是，当伽马射线，光和无线电波等振动源与观测者以相对速度V相对运动时，观测者所收到的振动频率与振动源所发出的频率有所不同。因为这一现象是奥地利科学家多普勒最早发现的，所以称之为多普勒效应。【摘要】
简单陈述多普勒效应测声速的原理【提问】
亲亲，中午好呀～多普勒效应简单讲,就是信号源相对于观测点做运动时,观测到的信号频率会随着信号源的移动速度和角度的不同而发生变化。多普勒雷达就是利用多普勒效应进行定位，测速，测距等工作的雷达。所谓多普勒效应就是，当伽马射线，光和无线电波等振动源与观测者以相对速度V相对运动时，观测者所收到的振动频率与振动源所发出的频率有所不同。因为这一现象是奥地利科学家多普勒最早发现的，所以称之为多普勒效应。【回答】

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