Допплер эффект


Эффект Допплера

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.

  • 1 Сущность явления
  • 2 Релятивистский эффект Доплера
  • 3 Как наблюдать эффект Доплера
  • 4 Применение
    • 4.1 Доплеровский радар
    • 4.2 Астрономия
    • 4.3 Неинвазивное измерение потока жидкости
    • 4.4 Автосигнализации
  • 5 Примечания
  • 6 См. также
  • 7 Ссылки

Сущность 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.

lambda = frac{left({c-v}right)}{f_0}

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

f = frac{c}{lambda} = f_0 frac {1}{left(1 - frac{v}{c}right)} (1)

Аналогично, если приёмник движется навстречу волнам, он регистрирует их гребни чаще и наоборот. Для неподвижного источника и движущегося приёмника.

f = f_0 left(1 + frac {u}{c} right) (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.

f = f_0 frac{left(1 + frac{u}{c}right)}{left(1 - frac{v}{c}right)} (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.

f = f_0 cdot frac sqrt{1-frac{v^2}{c^2}}{1+frac{v}{c} cdot cos theta}

где с — скорость света, v — относительная скорость приёмника и источника (положительная в случае их удаления друг от друга).

Как наблюдать эффект Доплера


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.

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

См. также

  • Красное смещение
  • Фиолетовое смещение
  • Эффект Черенкова

Источник: dic.academic.ru

1. Определение эффекта Доплера

Что же происходит и в чём причина этого эффекта?

Нам хорошо известно, что звук — это механические упругие волны. Основными характеристиками любой волны являются:

  • длина волны;
  • период колебаний в волне;
  • частота колебаний в волне;
  • амплитуда;
  • скорость волны.

Мы будем говорить сейчас о трёх из них — длине волны, скорости волны и частоте колебаний, которые связаны друг с другом формулой  где λ — длина волны, v — скорость волны, а ν — частота колебаний. Если, к примеру, находящийся в воде поплавок начнёт совершать вертикальные колебания, то по воде начнут расходиться круги, расстояние между которыми и будет равно длине волны. Поплавок, в данном случае, представляет собой неподвижный источник волн, то есть, совершая колебания, он, тем не менее, остаётся на том же месте по отношению к неподвижному относительно Земли наблюдателю. Но совсем иначе будет выглядеть волновая картина, если источник волн будет либо приближаться, либо удаляться от наблюдателя.

Проводя наблюдения за волнами на воде, Доплер заметил, что когда источник волн приближается к наблюдателю, то длина волны становится немного меньше, а следовательно, частота становится немного больше, то есть количество гребней перед движущимся источником волн больше, чем позади него. Именно поэтому звук приближающегося автомобиля или поезда будет более высоким. С другой стороны, когда источник волн удаляется от наблюдателя, то длина волны становится немного больше, а следовательно, частота становится немного меньше, то есть количество гребней волны позади движущегося источника меньше, чем впереди него.


енно поэтому звук удаляющегося от нас автомобиля или поезда будет более низким. В этом и состоит суть эффекта Доплера — изменение длины волны или её частоты при движении источника волны к наблюдателю или от него. И это изменение можно довольно легко подсчитать, зная скорость движения источника волн и их длину или частоту в случае, если источник неподвижен относительно наблюдателя.

2. Эксперименты

Чтобы увидеть эффект Доплера своими глазами или услышать своими ушами вовсе не нужны специальные лаборатории или сложные установки. Вот описание двух простых экспериментов, в ходе которых можно его наблюдать.

Возьмите свисток и прикрепите к нему длинную гибкую трубку так, чтобы можно было свистеть в свисток при помощи этой трубки. Если держать трубку и свисток неподвижно и дуть в трубку, то будет слышаться ровный свист, а если раскрутить трубку со свистком, не прекращая дуть в неё, то можно будет услышать как меняется звук свистка при приближении к вам и отдалении от вас. Это и будет наглядным подтверждением эффекта Доплера.

Второй эксперимент осуществить сложнее, но именно его осуществил в 1845 году голландский метеоролог и химик Христофор Бёйс-Баллот.
ть эксперимента сводилась к тому, что в поезде размещались музыканты-трубачи, которые должны были играть одну и ту же ноту, а на станции, мимо которой проезжал этот поезд, другая группа музыкантов должна была внимательно слушать как меняется тон этого звука при приближении и удалении поезда. Музыканты — люди с очень хорошим слухом, и им как никому другому проще всего определить это изменение, что они успешно и выполнили, подтвердив экспериментально открытый Доплером эффект.

Но самый простой способ убедиться в существовании этого эффекта — прислушаться к сирене машины скорой помощи в момент, когда она приближается к вам и в момент, когда она, проехав мимо вас, удаляется. Звук сирены будет отличаться, хотя никаких изменений в работе сирены на самом деле не происходит. Это и есть эффект Доплера для звуковых волн.

3. Формула и применение

Как уже было сказано, зная скорость источника волн по отношению к неподвижному наблюдателю можно определить регистрируемую приёмником частоту волны. Формулу, позволяющую это сделать, нетрудно вывести, зная, что  (здесь v — скорость волн в данной среде, ν0 — частота испускаемых источником волн), и, если источник приближается к неподвижному наблюдателю со скоростью относительно среды, то  и тогда частота, которую будет регистрировать неподвижный приёмник, будет равна:


Допплер эффект

Если же сам приёмник движется относительно среды со скоростью u1, то частота регистрируемых им волн будет равна:

Допплер эффект

Если же и источник, и приёмник движутся относительно друг друга, то:

Допплер эффект

Эффект Доплера, как вы, наверное, уже догадались, возникает не только при распространении звуковых волн, но и вообще любых волн, в том числе и электромагнитных, одним из видов которых является видимый свет. Если бы наш глаз был сверхчувствителен, то мы могли бы заметить, что как и в случае со звуком, если источник света приближается к наблюдателю, то длина волны становится меньше, а частота больше, и наоборот, если источник света удаляется от наблюдателя, то длина волны увеличивается, а частота уменьшается. То есть свет зелёной лазерной указки при стремительном её приближении к нам наблюдался бы как слегка голубоватый, а при удалении от нас был бы более жёлтым. Но наш глаз различить этого не может, зато точные приборы могут и этот эффект позволил учёным сделать одно очень важное наблюдение — спектры наблюдаемых нами звёзд немного сдвинуты по частоте в меньшую сторону, что называется «красным смещением» и является доказательством того, что галактики удаляются друг от друга, а значит, Вселенная расширяется.
>Это, пожалуй, самое важное применение эффекта Доплера в фундаментальной науке. Но эффект Доплера и связанные с ним формулы нашли очень широкое применение не только в астрономии. Прежде всего, стоит сказать о медицине. В ультразвуковой диагностике эффект Доплера применяется для исследования внутренних органов человека. А также, именно эффект Доплера лежит в основе действия полицейских радаров, определяющих скорость автомобиля, и камер, следящих за скоростным режимом на дорогах. Эффект Доплера применяется в метеорологии, воздушной навигации, при расчётах траекторий спутников, системах навигации.

4. Релятивистский эффект Доплера

Выше уже было отмечено, что эффект Доплера применим не только к механическим, но и к электромагнитным волнам. Однако, в случае электромагнитных волн нужно учитывать, что их скорость — есть величина постоянная, не зависящая от направления и скорости движения источника или наблюдателя, и равная с. В этом случае, формулы, аналогичные тем, что приведены для звуковых волн, следует выводить на основании специальной теории относительности Эйнштейна. Это и будет формула релятивистского эффекта Доплера. Не углубляясь в процедуру её вывода, приведём сразу окончательный результат:

Допплер эффект

Здесь v — это скорость источника относительно приёмника, а угол а — при удалении источника вдоль прямой равен π, а при приближении источника по прямой равен 0.

5. Методические советы учителям

  1. При описании эффекта Доплера лучшей демонстрацией будет звукозапись сирены или гудка проезжающего автомобиля. Для этого можно одному или нескольким ученикам предварительно дать задание — записать сигнал проезжающего мимо автомобиля или машины скорой помощи на смартфон. С этой звукозаписи и стоит начать урок.
  2. Особое внимание стоит уделить применению эффекта Доплера, а не самим формулам, с ним связанным. Ведь этот эффект используют люди самых разных профессий — сотрудники ДПС, врачи, учёные, метеорологи.
  3. Приводимые здесь формулы можно преобразовать и решить несколько вычислительных примеров практической направленности — рассчитать скорость автомобиля или определить изменение звукового тона по частоте.
  4. Особое внимание следует уделить применению эффекта Доплера в астрономии и космологии, ведь именно из этого эффекта следует вывод о расширяющейся Вселенной, что в итоге привело к созданию современной космологической модели Вселенной.

Источник: rosuchebnik.ru

Описание доплера

Фетальный допплер – это специальное устройство, основной функцией которого является обработка и передача ультразвуковых волн, получаемых от исследуемых внутренних органов. Частота ультразвукового сигнала колеблется в пределах от 2,0 до 3,0 МГц. С увеличением частоты чувствительность прибора снижается. На ранних сроках беременности, когда сердцебиение плода невозможно услышать без применения специального оборудования, фетальный допплер также может применяться.

Все полученные данные аппарат транслирует на цифровом дисплее. Дополнительно есть возможность прослушивать удары сердца малыша, используя для этих целей портативный динамик или наушники. Большинство моделей фетальных допплеров дополнительно комплектуются USB кабелем, с помощью которого можно соединить устройство с ПК и сохранить запись исследования.

В качестве источника питания выступает аккумулятор или комплект батареек. Дополнительно в комплект может входить специальный гель, необходимый для процедуры исследования (такие гели реализуются в аптеках и магазинах, продающих медицинское оборудование).

Обязательно ли использовать прибор?

Сразу стоит сказать, что прямой необходимости покупать фетальный допплер и использовать его для домашнего контроля над беременностью нет. С того момента, как женщина была поставлена на учет по беременности, за ее состоянием наблюдают специалисты. Есть разработанные планы посещения врача и проведения дополнительных обследований, в частности, УЗИ. Если вынашивание протекает без отклонений, то достаточно трех ультразвуковых исследований, в процессе которых определяется допплерометрическая оценка кровотока в системе мать-плацента-плод.

Трансвагинальное УЗИНа ранних сроках используют трансвагинальное УЗИ. На таком обследовании услышать сердцебиение плода можно уже на сроке от 3 недель. Еще один способ диагностики на начальном этапе беременности – трансабдоминальное УЗИ, однако такая процедура назначается не ранее 5 недели. Начиная с 18 недели, врач слушает сердцебиение ребенка, используя акушерский стетоскоп.

Но некоторые женщины испытывают сильные волнения за малыша в промежуток между посещениями врача. Чувство дискомфорта усиливается в том случае, если ранее были беременности, имеющие неблагоприятный исход. В таком случае можно приобрести фетальный допплер, и применять его для контроля сердцебиения плода. Во-первых, будущей маме просто приятно будет слышать, как стучит маленькое сердечко, а во-вторых, это избавит ее от стресса.

Правила применения

Фетальный допплер можно применять дома, начиная с 12 недели течения беременности. Более чувствительные аппараты, которые могут отображать работу сердца плода на ранних сроках, являются дорогостоящими и относятся к числу специального медицинского оборудования.

Техника проведения исследования:

  • женщина ложится на спину, на ровную горизонтальную поверхность, оголяя нижнюю часть живота;
  • на участок кожи, который будет соприкасаться с датчиком, обязательно наносится гель, обеспечивающий четкий сигнал;
  • двигать датчик следует медленно, без резких движений;
  • в I триместре внешний зонд прибора нужно расположить прямо над лобком, так как дно матки расположено достаточно низко;
  • во II триместре – чуть ниже пупка, иногда – со смещение влево или вправо;
  • в III триместре – выше или ниже пупка, в зависимости от положения ребенка.

Длительность исследования – 3-7 минут. Не стоит повторять процедуру ежедневно, а тем более, по несколько раз в день.

Приобретения фетального допплера и домашний контроль над сердцебиением ребенка не являются причиной не посещать медицинского специалиста.

Когда лучше проводить исследование?

Ребенок, находясь в животике у мамы, живет в собственном графике – он спит, бодрствует, играет. И именно от того, в какой момент будет проведено исследование, могут активно изменяться его результаты. Лучше всего слушать сердцебиение на полный мочевой пузырь, особенно на ранних сроках беременности. В этом случае заполненный орган будет оказывать давление на дно матки, немного приподнимая его.

Также можно использовать фетальный допплер через 10-20 минут после утреннего пробуждения будущей мамы – именно утренние результаты обычно считают самыми достоверными.

Малыш в животе зачастую бурно реагирует на трапезу, если женщина решила побаловать себя чем-нибудь сладким. На протяжении 60 минут после обеда биение маленького сердечка будет отчетливо прослушиваться.

Стоит ли паниковать?

В некоторых случаях фетальный допплер не регистрирует биение сердца ребенка в животе матери. Естественно, что женщина начинает беспокоиться о здоровье малыша. Но в большинстве ситуаций оснований для волнений нет, поскольку негативный результат вызван нарушением техники проведения исследования. Например, было использовано слишком мало контактного геля или датчик установлен в неправильном месте. Слишком быстрое движение внешнего зонда или его слабое соприкосновение с кожей, также может стать причиной того, что сердцебиение останется не услышанным.

Возможно,еще совсем маленький срок беременности (2-5 недель), или аппарат вышел из строя. Как видите, причин много, так что начинать паниковать раньше времени не желательно и опасно для плода. Но, для самоуспокоения, можно нанести внеплановый визит ведущему специалисту, который сможет назначить дополнительные анализы.

Покупать или не покупать фетальный допплер – это индивидуальное решение каждой беременной женщины. Однако официальная медицина не видит необходимости использовать данный прибор дома.

Источник: FoodandHealth.ru


You May Also Like

About the Author: admind

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Этот сайт использует Akismet для борьбы со спамом. Узнайте, как обрабатываются ваши данные комментариев.