机械波的多普勒效应的原理及应用(3)

2020-05-05 13:56

河南大学民生学院本科毕业论文 们所看到的光就会向可见光谱的高频端(即紫端)偏移;反之,如果光源远离我们运动,每秒钟到达眼睛的光波就较少,于是光就会向可见光谱的低频端(即红端)偏移.

天文学家对恒星的光谱进行了长期的研究,因此非常熟悉正常的光谱图.这种光谱图或是在黑暗背景上的亮线图样,或是在明亮背景上的暗线图样.亮线或暗线表示原子在某些波长(或颜色)上对光线的发射或吸收.通过测量正常光谱线朝可见光谱红端或紫端的位移,天文学家能够计算出恒星移向我们或远离我们的速度,即视向速度.

1848年,法国物理学家斐索指出,注意光谱线的位置能够取得观测光的多普勒效应的最佳效果.因此,人们把光的多普勒效应称为多普勒-斐索效应。

当多普勒效应理论成分析马航MH370航班“新方法”。具体到马航事件,这架飞机上的某些设备会定期向Inmarsat的卫星发送请求连接的Ping信号,专家称之为“握手”。但由于马航没有购买相关卫星服务,因此这种请求会被卫星拒绝。但尽管由于两者间没有建立连接,因此没有办法收集当时飞机的状态信息,但此次Inmarsat的工程师们尝试了一种新的手段——他们对每一次Ping信号中隐含的多普勒效应进行了分析,这样做就能判断这个信号是被压缩了还是拉伸了。

由于卫星定点于地球上空,而马航的飞机当时正处于飞行状态,因此严格来说马航的这架飞机与卫星之间存在相对运动,距离也在不断发生变化。因此通过以纳秒(十亿分之一秒)级别的精度计算飞机与64.5度纬线(卫星定点于此纬度线上空)之间的相对运动,就能判断飞机的大致飞行位置。专家们分析了每一次Ping信号的方向信息,并且在此过程中得到了航天界专家以及美国波音公司的技术协助。

另外,利用三角测量法,专家们还将有望进一步完善他们的精密计算结果,测算出飞机的可能坠毁位置,因为他们有可能计算出飞机发送信号时的飞行角度。

四、交通警察向行进中的车辆发射频率已知的超声波同时测量反射波的频率,根据反射波的频率变化的多少就能知道车辆的速度。装有多普勒测速仪的监视器有时就装在路的上方,在测速的同时把车辆牌号拍摄下来,并把测得的速度自动打印出来。

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4 机械波中横波的多普勒效应探讨

4.1 机械波的多普勒效应探讨—普遍公式

我们首先对机械波在均匀各向同性媒质中传播时出现的多普勒效应表达式进行简单的推导并讨论它们。

假如波源和观察者都在运动,且速度的方向不在同一条直线上。设Vo和Vs 分别表示波源频率和观察者测量的频率,Vs和Vb分别是波源和观察者相对于媒质的运动速度,以u表示波在介质中传播的速度, 用θ1π

θ2

连线间的夹角,如图2所示。图中任一波面上各点的相位与相邻波面上各点的相位差都是2

,两相邻波面之间的距离就是波长λ。如果波源静止, 则各波面是一系列的同心圆,而波源运动时,各波面就不再是同心圆了,亦即由于波源的运动使得媒质中振动状态的分布与波源静止时相比发生了变化, 即波长发生了变化。此时观察者观测的波长应为

(1)

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河南大学民生学院本科毕业论文 如果观察者静止,他观测到的波速为u,但是观察者相对媒质以速率Vbcosθ2所以他观测到的波速应为之比称为观测频率v,即

V与测到的波长λ

,

如果观察者相对媒质远离波源运动时,同理可推导出

(2)

(3)

观察者感觉到的频率,取决于观察者所用仪器(或人耳)在单位时间内接收到的完全波的数目。1/λ为单位长度上“波的数目”,则v也表示单位时间内观察者所接收到的完全波的数目。 (2)、(3)两式便是机械波多普勒效应的普遍公式

4.2 机械波的多普勒效应探讨—几种特例

下面讨论几种特殊情况:

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河南大学民生学院本科毕业论文 (2)如果观察者静止而波源运动,即时有

(5)

当波源靠近观察者运动时,式中取负号,此时观测频率高于波源频率;而波源远离观察者运动时取正号,此时观测频率低于波源频率。

(6)

若观察者朝波源运动取正号,观测频率高于波源频率,这是由于观察者迎着波传来的方向运动,使得单位时间内观察者所接受到的波数增多了;反之,若观察者背离波源即顺着波传播的方向运动则取负号,观测频率低于波源频率。

(4)如果观察者和波源都相对于媒质静止,即Vb=0,Vs=0; 或者观察者和波源相对于媒质以相同的速度运动,即它们相对静止,则

V=Vo (7) 此时不发生多普勒效应。

5 总结与分析

波是自然界最为重要的能量传播方式之一,多普勒效应是一种重要的物理现象,而作为运动波里的重要现象—多普勒效应对于研究和利用波有着很重要的作用。自这一理论的正式提出至今,在一代一代科学工作者的不断研究下,人们让它在许多领域都有着广泛的应用。本文介绍了多普勒效应,并给出了不同波的多普勒效应表达式。除此之外,对于多普勒效应在声、光、电以及其卫星导航定位系统、临床医学、海洋开发、军事领域、天气雷达等多方面的应用作了分析与研究,让人们体会到多普勒效应理论的重要性及其潜在的应用价值。未来,多普勒效应将有更广泛的应用,它会给人类的进步和发展带来促进和推动作用,并让我

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河南大学民生学院本科毕业论文 们更深入的了解自然和利用大自然。

在对待老理论老知识的时候,我们一定要有自己的见解,并能从中找出新的知识来完善它。切不可盲目的生搬硬套。

对自己的总结:有时候我们认为自己学的东西太简单、太理论、太枯燥、并且没有专业性可言,于是很多人就荒废了所学专业,却不知道现在学的正是基础,基础学好了,以后才能有更好的发展。就如多普勒效应这个看似简单的原理,如果不细细追究还真不知道它有如此之多的应用呢!当然科学是无止境,现在所知道的不过是冰山一角,还有很广的未知世界在等着我们去探索,并在实践中完善,真正的把所学的知识变为财富让它有用武之地,真正的为我们的社会做贡献。 参考文献 [1] [2] [3] [4] [5]

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