Qu'est-ce que l'effet Doppler ? Effet Doppler pour les ondes électromagnétiques

Le son peut être perçu différemment par une personne si la source sonore et l'auditeur bougent l'un par rapport à l'autre. Il peut paraître plus grand ou plus petit qu’il ne l’est en réalité.

Si la source ondes sonores et le récepteur est en mouvement, la fréquence du son que le récepteur perçoit diffère de la fréquence de la source sonore. À mesure qu’ils s’approchent, la fréquence augmente et à mesure qu’ils s’éloignent, elle diminue. Ce phénomène est appelé Effet Doppler , du nom du scientifique qui l'a découvert.

Effet Doppler en acoustique

Beaucoup d'entre nous ont eu l'occasion d'observer comment le ton du sifflet d'un train change lorsqu'il passe d'un train à l'autre. grande vitesse. Cela dépend de la fréquence de l’onde sonore captée par notre oreille. À l’approche d’un train, cette fréquence augmente et le signal devient plus fort. À mesure que l’on s’éloigne de l’observateur, la fréquence diminue et l’on entend un son plus faible.

Le même effet est observé lorsque le récepteur sonore est en mouvement et la source est stationnaire, ou lorsque les deux sont en mouvement.

Le physicien autrichien Christian Doppler a expliqué pourquoi la fréquence des ondes sonores change. En 1842, il décrivit pour la première fois l’effet du changement de fréquence, appelé Effet Doppler .

Lorsqu'un récepteur sonore s'approche d'une source stationnaire d'ondes sonores, par unité de temps, il la rencontre sur son chemin plus de vagues que s'il était stationnaire. Autrement dit, il perçoit davantage haute fréquence et entend un ton plus aigu. Lorsqu'il s'éloigne, le nombre d'ondes traversées par unité de temps diminue. Et le son semble plus faible.

Lorsqu’une source sonore se dirige vers le récepteur, elle semble rattraper l’onde qu’elle crée. Sa longueur diminue donc sa fréquence augmente. S'il s'éloigne, la longueur d'onde devient plus longue et la fréquence plus faible.

Comment calculer la fréquence d'une onde reçue

Une onde sonore ne peut se propager que dans un milieu. Sa longueur λ dépend de la vitesse et de la direction de son mouvement.

Où ω 0 - fréquence circulaire avec laquelle la source émet des ondes ;

Avec - vitesse de propagation des ondes dans le milieu ;

v - la vitesse à laquelle la source d'ondes se déplace par rapport au milieu. Sa valeur est positive si la source se rapproche du récepteur, et négative si elle s'éloigne.

Le récepteur fixe perçoit la fréquence

Si la source sonore est stationnaire et que le récepteur est en mouvement, alors la fréquence qu'il percevra est égale à

Où toi - vitesse du récepteur par rapport au support. Elle a valeur positive, si le récepteur se rapproche de la source, et négatif s'il s'éloigne.

DANS cas général la formule de la fréquence perçue par le récepteur est :

L'effet Doppler est observé pour les ondes de n'importe quelle fréquence, ainsi que rayonnement électromagnétique.

Où l'effet Doppler est-il appliqué ?

L'effet Doppler est utilisé partout où il est nécessaire de mesurer la vitesse d'objets capables d'émettre ou de réfléchir des ondes. La condition principale pour l'apparition de cet effet est le mouvement de la source d'ondes et du récepteur l'un par rapport à l'autre.

Le radar Doppler est un instrument qui émet une onde radio puis mesure la fréquence de l'onde réfléchie par un objet en mouvement. En modifiant la fréquence du signal, il détermine la vitesse de l'objet. De tels radars sont utilisés par les agents de la police de la circulation pour identifier les contrevenants dépassant la limite de vitesse. L'effet Doppler est utilisé dans la navigation maritime et aérienne, dans les détecteurs de mouvement des systèmes de sécurité, pour mesurer la vitesse du vent et des nuages ​​en météorologie, etc.

On entend souvent parler d'une étude en cardiologie telle que l'échocardiographie Doppler. L'effet Doppler est utilisé dans ce cas pour déterminer la vitesse de déplacement des valvules cardiaques et la vitesse du flux sanguin.

Et même la vitesse de déplacement des étoiles, galaxies et autres corps célestes appris à déterminer par déplacement raies spectrales en utilisant l'effet Doppler.

Iouchkevitch R.S., Degtyareva E.R.

L'article propose une dérivation de formules pour l'effet Doppler sans utiliser la loi d'addition des vitesses, mais en utilisant le principe de constance de la vitesse de la lumière uniquement par rapport à la source lumineuse. La limite spatiale des capacités de réception a été déterminée ondes électromagnétiques. La dépendance de la vitesse de la lumière à la distance est considérée. Le coefficient de calcul de la vitesse de la lumière est déterminé.

Pour expliquer cet effet, nous supposons que la lumière provenant de la source lumineuse est connectée à la source et se propage à partir d'elle à une vitesse s = 3 10 8m/s par rapport à la source. Pour le récepteur, la vitesse de la lumière par rapport à la source sera ajoutée à la vitesse de la source v.

Déterminer la dépendance en fréquence de la lumière ν de la vitesse v, considérons la propagation de la lumière à partir de deux sources, dont l'une Ѕ s'éloigne du récepteur à une vitesse v, et l'autre S 0 repose.

Riz. 1.

Des sources identiques émettent de la lumière de la même fréquence ν 0 . La lumière se déplace à la même vitesse par rapport à ses sources Avec, donc la longueur d'onde émise λ 0 sera pareil. La lumière s'approchera du récepteur à partir d'une source en mouvement à une vitesse Avec-v et longueur d'onde λ 0 sera accepté à temps T =(période), et à partir d'une source stationnaire - dans le temps T0 =. Les périodes sont les quantités réciproques des fréquences d'oscillation et . Remplaçons les valeurs T Et T 0 dans les égalités résultantes

en les divisant terme par terme, on obtient

,

nous obtenons [p. 181].

(1)

Dans le cas où la source et le récepteur approchent, vous avez besoin d'un signe v remplacez par l'inverse, on obtient . Noter que Avec-v Et c sont les vitesses de la lumière par rapport au récepteur et à la source lumineuse, respectivement.

Considérons maintenant le cas où la source lumineuse se déplace perpendiculairement à la direction du récepteur. Considérant que la lumière est associée à une source, elle se propage par rapport à celle-ci à une vitesse Avec et le porte avec rapidité v pour qu'il touche le récepteur, il doit être dirigé selon un certain angle α Donc sinα= . Dans ce cas, la composante de la vitesse de la lumière coïncidant avec la direction vers le récepteur UN sera , la composante v dans cette direction est égale à 0. Afin de ne pas répéter le raisonnement précédent, on utilise la formule (1), Avec-v Remplaçons-le par , et la vitesse c par rapport à la source restera inchangée. En conséquence nous obtenons :

ce qui correspond au résultat obtenu dans les expériences d'Ives [p. 181].

Riz. 2.

Lorsque la lumière passe d’une source à un récepteur, sa fréquence passe de ν 0 à ν. De la formule с=λν il s'ensuit que la longueur d'onde doit également changer. Si une onde de longueur provenait d'une source lumineuse λ 0 , alors le récepteur le recevra différemment, disons λ . Obtenez de la valeur λ c'est possible en profitant du fait que λ Et ν les quantités sont inversement proportionnelles . Remplacement de la valeur ν de la formule (1), nous obtenons

Pour être plus sûr, on obtient cette formule d'une manière différente.

Tout récepteur de lumière peut également être un émetteur, ce qui signifie qu'il possède le même milieu porteur de lumière que la source et que la lumière s'y propage à grande vitesse. Avec. La lumière, passant du milieu source au milieu récepteur, gagne en vitesse Avec par rapport au récepteur.

Longueur d'onde λ 0 de la source à l'interface entre la source et le récepteur, le support s'approche à une vitesse Avec -v et la frontière passera au temps C dès le début de l'entrée de l'onde dans la sphère du milieu du récepteur, son début acquiert la vitesse c par rapport au récepteur et au temps T ; je suivrai le chemin λ = cT. Remplacement de la valeur T, on obtient :

Riz. 3.

Dans la première moitié du XXe siècle. Le scientifique américain Hubble a découvert dans le spectre d'étoiles lointaines un déplacement des raies spectrales vers la partie rouge du spectre par rapport à spectres de laboratoire- "décalage vers le rouge". Cela signifiait que la longueur d'onde reçue λ est supérieure à λ 0 et que plus l'étoile est éloignée, plus le « décalage vers le rouge » est important.

Dans la formule (2) comprend quatre quantités λ, λ 0 , s Et v. Au moment où le « décalage vers le rouge » a été découvert, la vitesse de la lumière avec le postulat d’Einstein était fixe par rapport à n’importe quel cadre de référence, ce qui signifie λ 0 , associée à la vitesse de la lumière c et à la source de rayonnement, s'est avérée constante. Dans la formule (2) quantité variable λ , s'est avéré être lié à la vitesse de la source v. Augmenter λ provoque une augmentation v.

Le « redshift » est observé dans les étoiles situées dans toutes les directions, ce qui signifie que l'expansion de l'Univers a été reconnue.

En astronomie, le lien entre λ Et v déterminé par une autre formule

(3)

pour une source de rayonnement qui s'éloigne.

Pour le même phénomène et les mêmes grandeurs, deux formules établissent dépendance différente! Pour comprendre cela, comparons les résultats que donnent ces formules pour différents v. Restrictions sur la valeur de vitesse v aucune formule requise. Pour plus de commodité, nous désignons les longueurs d'onde λ 3 Et λ 2 selon la désignation des formules (3) Et ( 2 ) dans lequel ils sont inclus. À v=0 :

À 0< v< с comparer par division :

Si v"Avec, alors λ 3 ≈ λ 2. Dans ces deux conditions, les résultats sont pratiquement cohérents entre eux.

Quand v = c; λ 2 tourne vers l'infini, tandis que la formule (1) donne . Il s'avère que onde lumineuse ne passe pas de la source au récepteur, c'est à une vitesse Avec se déplacera de la source au récepteur et, avec la source, s'en éloignera à la même vitesse c - c = 0.

La troisième comparaison nécessite de déterminer quelle formule reflète correctement la réalité. Origine de la formule (2) discuté au début de l’article. Voyons maintenant comment la formule est obtenue (3).

Riz. 4.

Imaginons que la source lumineuse soit entourée d'un milieu dans lequel la lumière se propage vers le récepteur à une vitesse Avec. Source lumineuse en un point UN a commencé à émettre une onde. Notons le temps d'émission d'une onde T(période). A partir du moment où l'onde commence à apparaître, elle commence à se déplacer vers le récepteur à environnementà grande vitesse Avec et pour le moment T s'éloignera du point UNà distance St. Mais pendant ce même temps, la source, s'éloignant du récepteur, va se retrouver au point AVEC, après avoir parcouru la distance CA =vT, là où se trouvera la fin de la vague. Distance de AVECà B et sera la longueur d'onde λ = сТ +vT = (c +v)T

Si la source ne bouge pas, alors v = 0 et la longueur d'onde sera λ 0 = cT. En divisant λ sur λ 0, on obtient :

Au début de l'article, nous avons examiné le milieu qui fournit la vitesse de la lumière c ; il est soit connecté à la source, soit au récepteur de lumière. La première donne les formules (1) et (2). La probabilité que le second, provenant d’un récepteur de lumière distant, influence davantage la vitesse de la lumière que l’environnement de la source lumineuse est négligeable. Il reste un milieu, sans rapport ni avec la source ni avec le récepteur de lumière, qui agit comme l'air (la matière) sur la propagation du son. Mais le résultat négatif des expériences de Michelson visant à détecter le « vent éthéré » a prouvé qu’un tel milieu n’existe pas dans la nature. Reste à privilégier la formule (2). Il a été noté précédemment que lorsque la source lumineuse s'éloigne à une vitesse v = c, l'onde n'atteindra pas le récepteur et le signal ne sera pas reçu.

Hubble a introduit la loi qui porte son nom [p. 120]

v= HD,

où v est la vitesse d'éloignement de la source lumineuse, D est la distance entre la source et le récepteur, H est le coefficient de proportionnalité, appelé constante de Hubble.

.

1 Mpc = 10 6 pièce ; 1 pièce (parsec) = 3,26 années-lumière= 3 . 10 13 km.

Trouvons la distance à laquelle v = c : ;

D- c'est le rayon de la sphère qui limite la réception du rayonnement électromagnétique direct de l'immensité de l'Univers. Depuis les zones adjacentes à cette sphère dans sa partie interne, le rayonnement électromagnétique ne peut provenir que sous forme d'ondes radio. Dans la nature, on n'observe rien orientation prioritaire dans la répartition des étoiles, les émissions radio doivent donc provenir de toutes les directions de manière uniforme.

Considérons l'option quand v>s. Dans ce cas, les formules (1) et (2) donnent : Et .

Cela signifie que l’onde doit provenir de la direction opposée à celle où se trouve l’émetteur.

À v= 2s nous avons

.

La vague arrivera sans « décalage vers le rouge ». La limite définie dans l'article réception possible le rayonnement électromagnétique sera vrai si la loi de Hubble est vraie et si le « décalage vers le rouge » est causé uniquement par le retrait de l'émetteur. Si d'autres facteurs sont découverts qui réduisent la vitesse de la lumière par rapport au récepteur (et ils peuvent exister), alors la limite de réception des ondes peut être approchée.

Passons maintenant aux formules (1) Et (2). En eux c-v est la vitesse de la lumière par rapport au récepteur, notons-la c 1 =c-v où v = c-c 1.Dans les formules v représente la différence de vitesse de la lumière, quelle que soit la nature de son apparition. Il est généralement admis que cela est dû au retrait de la source lumineuse. Mais cette différence de vitesse peut également survenir en raison de la diminution de la vitesse de la lumière avec l'augmentation de la distance. La lumière est un flux de quanta d’énergie et il est possible que leur vitesse diminue.

Supposons que la vitesse de la lumière diminue à mesure que l’on s’éloigne de la source lumineuse, au sens figuré, « la lumière vieillit ».

On sait que la vitesse de la lumière diminue lorsqu’on passe d’un milieu optiquement moins dense à un milieu plus dense. Cela est dû au fait que les conditions de passage de la lumière changent. La diminution de la vitesse est caractérisée par l'indice de réfraction n;, Où Avec- vitesse de la lumière dans le vide a à partir de 1- la vitesse dans un autre environnement.

Si, par hypothèse, la vitesse de la lumière diminue avec l'augmentation de la distance par rapport à la source lumineuse, alors les conditions de son passage changent également, ce qui peut également être caractérisé par l'indice de réfraction n. Nous constatons que la vitesse réduite de la lumière sera .

Dans l’article « L’expérience de Fizeau » (revue « Modern haute technologie" N°2, 2007) pour déterminer la vitesse de la lumière dans un milieu en mouvement, l'indice de réfraction n a été utilisé sous la forme , où une partie de l'indicateur est déterminée par l'atome émetteur, et est déterminée par les conditions de passage de la lumière dans le milieu.

Appliquons cette représentation de l'indice de réfraction du vide. Si nous acceptons l’hypothèse selon laquelle dans le vide la vitesse de la lumière diminue et que le vide est environnement homogène, alors la diminution de la vitesse de la lumière ne devrait dépendre que de la distance et y être proportionnelle. On peut donc écrire où D- distance à la source lumineuse, μ - coefficient de proportionnalité constante. La vitesse de la lumière reçue sera

La différence entre les vitesses initiale et réduite de la lumière sera

Cela exprime la relation entre la diminution de la vitesse de la lumière et la distance D. Le lien entre ces mêmes quantités est exprimé par la loi de Hubble où v- la vitesse d'éloignement de l'étoile, qui est destinée au récepteur de lumière différence s-s 1 .

Comparons les valeurs v, que donnent ces deux équations pour les limites de distance D.

Si , alors à partir de la première équation on obtient : , n=1 (pour les courtes distances) et . De la loi de Hubble, nous obtenons également .

Si cette coïncidence n'est pas fortuite, on peut supposer que les quanta d'énergie lumineuse sont associés à l'émetteur, ce qui est également indiqué par la connexion du milieu porteur de lumière avec la source lumineuse.

Pour déterminer la vitesse à partir de 1, nous devons décider concernant néquation:

et trouver la vitesse passant par n à partir de 1.

Pour les petites valeurs de D, la loi de Hubble peut être utilisée.

L'article contient contradiction évidente. Sur la base du concept d'expansion de l'Univers, il a été conclu qu'il existe une limite à la réception possible des ondes électromagnétiques, mais sur la base de la diminution naturelle de la vitesse de la lumière, une telle limite n'existe pas. Il s’avère que la découverte d’une telle frontière sera la preuve de l’expansion de l’Univers.

L’article suppose également, sans fondement convaincant, que la vitesse de la lumière dépend des distances. La base de cette hypothèse sera découverte en considérant le processus d’émission de quanta de lumière par un atome.

RÉFÉRENCES :

1. Zisman G.A., Todes O.M., Cours physique générale v.3. - M. : « Sciences », 1972.
2. Vorontsov - Velyaminov B.A. Astronomie 10. - M. : « Lumières », 1983.

Lien bibliographique

Supposons qu'il y ait un appareil dans un gaz ou un liquide à une certaine distance de la source d'ondes qui perçoit les vibrations du milieu, que nous appellerons un récepteur. Si la source et le récepteur d'ondes sont stationnaires par rapport au milieu dans lequel l'onde se propage, alors la fréquence des oscillations perçues par le récepteur sera égale à la fréquence des oscillations de la source. Si la source ou le récepteur, ou les deux, se déplacent par rapport au milieu, alors la fréquence v perçue par le récepteur peut s'avérer différente de Ce phénomène est appelé effet Doppler.

Supposons que la source et le récepteur se déplacent le long de la ligne droite qui les relie. La vitesse de la source sera considérée comme positive si la source se déplace vers le récepteur, et négative si la source s'éloigne du récepteur. De même, la vitesse du récepteur sera considérée comme positive si le récepteur se dirige vers la source, et négative si le récepteur s'éloigne de la source.

Si la source est immobile et oscille avec une fréquence, alors au moment où la source termine l'oscillation, la « crête » de l'onde générée par la première oscillation aura le temps de parcourir un chemin v dans le milieu (v est la vitesse de propagation de l'onde par rapport au milieu). Par conséquent, les ondes générées par la source dans une seconde de « crêtes » et de « creux » s'ajusteront à une longueur v. Si la source se déplace par rapport au milieu à une vitesse, alors au moment où la source termine l'oscillation, la « crête » générée par la première oscillation sera située à distance de la source (Fig. 103.1). Par conséquent, les « crêtes » et les « creux » de l’onde s’ajusteront sur la longueur, de sorte que la longueur d’onde sera égale à

En une seconde, des « crêtes » et des « vallées » passeront devant le récepteur stationnaire, s'étendant sur une longueur v. Si le récepteur se déplace rapidement, alors à la fin d'un intervalle de temps d'une durée de 1 s, il percevra une « dépression » qui, au début de cet intervalle, se trouvait à une distance numériquement égale à .

Ainsi, le récepteur percevra dans un second temps des oscillations correspondant à des « crêtes » et des « vallées » qui s'étendent sur une longueur numériquement égale à (Fig. 103.2), et oscillera avec une fréquence

En remplaçant l'expression (103.1) pour K dans cette formule, nous obtenons

(103.2)

De la formule (103.2) il résulte que lorsque la source et le récepteur se déplacent de telle manière que la distance qui les sépare diminue, la fréquence v perçue par le récepteur s'avère supérieure à la fréquence source

Si la distance entre la source et le récepteur augmente, v sera inférieur à

Si les directions des vitesses ne coïncident pas avec la droite passant par la source et le récepteur, au lieu de la formule (103.2), il est nécessaire de prendre les projections des vecteurs dans la direction de la droite spécifiée.

De la formule (103.2), il résulte que l'effet Doppler pour les ondes sonores est déterminé par les vitesses de déplacement de la source et du récepteur par rapport au milieu dans lequel le son se propage. L'effet Doppler est également observé pour les ondes lumineuses, mais la formule pour changer la fréquence a une forme différente de celle (103.2). Cela est dû au fait que pour les ondes lumineuses, il n’existe pas de milieu matériel dont les vibrations constitueraient la « lumière ». Par conséquent, les vitesses de la source et du récepteur de lumière par rapport au « milieu » n’ont pas de sens. Dans le cas de la lumière, on ne peut parler que de vitesse relative récepteur et source. L'effet Doppler des ondes lumineuses dépend de l'ampleur et de la direction de cette vitesse. L'effet Doppler pour les ondes lumineuses est discuté au § 151.

On sait que lorsqu'un train électrique en mouvement rapide s'approche d'un observateur à l'arrêt, son signal sonore semble plus élevé, et lorsqu'il s'éloigne de l'observateur, il apparaît plus faible que le signal du même train électrique, mais à l'arrêt.

Effet Doppler appeler le changement de fréquence des ondes enregistrées par le récepteur, qui se produit en raison du mouvement de la source de ces ondes et du récepteur.

La source, se déplaçant vers le récepteur, semble comprimer un ressort - une onde (Fig. 5.6).

Cet effet s'observe lors de la propagation des ondes sonores (effet acoustique) et des ondes électromagnétiques (effet optique).

Considérons plusieurs cas de manifestation effet Doppler acoustique .

Soit le récepteur d'ondes sonores P en milieu gazeux (ou liquide) immobile par rapport à lui, et la source I s'éloigne du récepteur avec une vitesse le long de la droite qui les relie (Fig. 5.7, UN).

La source se déplace dans le milieu pendant un certain temps égale à la période ses oscillations, à une distance , où est la fréquence d'oscillation de la source.

Ainsi, lorsque la source se déplace, la longueur d'onde dans le milieu est différente de sa valeur avec une source stationnaire :

,

Où - vitesse de phase vagues dans le milieu.

La fréquence des ondes enregistrée par le récepteur est

(5.7.1)

Si le vecteur vitesse source est dirigé sous angle arbitraire au rayon vecteur reliant le récepteur fixe à la source (Fig. 5.7, b), Que

(5.7.2)

Si la source est stationnaire et que le récepteur s'en approche à une vitesse le long de la ligne droite qui les relie (Fig. 5.7, V), alors la longueur d'onde dans le milieu est . Or, la vitesse de propagation de l'onde par rapport au récepteur est égale à , donc la fréquence de l'onde enregistrée par le récepteur

Dans le cas où la vitesse est dirigée selon un angle arbitraire par rapport au rayon vecteur reliant le récepteur mobile à une source fixe (Fig. 5.7, G), nous avons:

Cette formule peut également être représentée comme (si)

où est la vitesse de la source d'ondes par rapport au récepteur, et est l'angle entre les vecteurs et . Ampleur, égal à la projectionà la direction, appelée vitesse radiale de la source.

Effet Doppler optique

Lorsque la source et le récepteur d'ondes électromagnétiques se déplacent l'un par rapport à l'autre, on observe également Effet Doppler , c'est-à-dire changement de fréquence des vagues, enregistré par le destinataire. Contrairement à l'effet Doppler que nous avons considéré en acoustique, les lois de ce phénomène pour les ondes électromagnétiques ne peuvent être établies que sur la base théorie spéciale relativité.

Description de la relation Effet Doppler Pour ondes électromagnétiques dans le vide, compte tenu des transformations de Lorentz, a la forme :

.

(5.7.7)

Aux faibles vitesses de déplacement de la source d'ondes par rapport au récepteur, la formule relativiste de l'effet Doppler (5.7.7) coïncide avec formule classique (5.7.2).

Si la source se déplace par rapport au récepteur le long de la ligne droite les reliant, alors on observe effet Doppler longitudinal .

En cas d'approche de la source et du récepteur ()

,

(5.7.8)

et en cas de leur suppression mutuelle ()

.

(5.7.9)

De plus, de la théorie relativiste de l’effet Doppler découle l’existence effet Doppler transversal , observé à et , c'est-à-dire dans les cas où la source se déplace perpendiculairement à la ligne d'observation (par exemple, la source se déplace en cercle, le récepteur est au centre) :

.

(5.7.10)

L'effet Doppler transversal est inexplicable dans physique classique. Cela représente un effet purement relativiste.

Comme le montre la formule (5.7.10), l'effet transversal est proportionnel au rapport, il est donc beaucoup plus faible que l'effet longitudinal, qui est proportionnel à (5.7.9).

Dans le cas général, le vecteur vitesse relative peut être décomposé en composantes : l'une fournit un effet longitudinal, l'autre fournit un effet transversal.

L'existence de l'effet Doppler transversal découle directement de la dilatation du temps dans des référentiels en mouvement.

Pour la première fois, vérification expérimentale de l'existence de l'effet Doppler et de l'exactitude formule relativiste(5.7.7) a été implémenté physiciens américains G. Ives et D. Stilwell dans les années 30. À l’aide d’un spectrographe, ils ont étudié le rayonnement des atomes d’hydrogène accélérés à des vitesses de m/s. En 1938, les résultats furent publiés. Résumé : l'effet Doppler transversal a été observé en parfaite conformité avec les transformations de fréquence relativistes (le spectre d'émission des atomes s'est avéré décalé vers la région des basses fréquences) ; conclusion sur la dilatation du temps dans les véhicules en mouvement systèmes inertiels le compte à rebours est confirmé.

L'effet Doppler a trouvé de nombreuses applications dans le domaine scientifique et technologique. Ce phénomène joue un rôle particulièrement important en astrophysique. A partir du décalage Doppler des raies d'absorption dans les spectres des étoiles et des nébuleuses, il est possible de déterminer les vitesses radiales de ces objets par rapport à la Terre : à en utilisant la formule (5.7.6)

.

(5.7.11)

L'astronome américain E. Hubble a découvert en 1929 un phénomène appelé redshift cosmologique et consistant dans le fait que les raies des spectres d'émission des objets extragalactiques sont décalées vers des fréquences plus basses (longues d'onde plus longues). Il s'est avéré que pour chaque objet, le décalage de fréquence relatif ( est la fréquence de la raie dans le spectre d'une source stationnaire, est la fréquence observée) est exactement le même pour toutes les fréquences. Le redshift cosmologique n’est rien d’autre que l’effet Doppler. Cela indique que la métagalaxie est en expansion, de sorte que les objets extragalactiques s'éloignent de notre Galaxie.

La Métagalaxie est comprise comme la totalité de tout systèmes stellaires. Avec les télescopes modernes, vous pouvez observer une partie de la Métagalaxie dont le rayon optique est égal à . L'existence de ce phénomène a été théoriquement prédite en 1922 par le scientifique soviétique A.A. Friedman basé sur le développement théorie générale relativité.

Hubble a établi une loi selon laquelle le redshift relatif des galaxies augmente proportionnellement à leur distance .

La loi de Hubble peut s'écrire sous la forme

,

(5.7.12)

Où H– Constante de Hubble. Selon le plus estimations modernes, réalisée en 2003, . (1 pc (parsec) est la distance que parcourt la lumière dans le vide en 3,27 ans ( )).

En 1990, il est mis en orbite à bord de la navette Discovery. télescope spatial nommé d'après Hubble (Fig. 5.8).

Riz. 5.8	Riz. 5.9

Les astronomes rêvent depuis longtemps d'un télescope qui fonctionnerait dans le domaine visible, mais qui dépasserait l'atmosphère terrestre, ce qui interfère grandement avec les observations. Hubble non seulement n'a pas déçu les espoirs placés en lui, mais a même dépassé presque toutes les attentes. Il a fantastiquement élargi le « champ de vision » de l'humanité, en regardant dans les profondeurs inimaginables de l'Univers. Au cours de son fonctionnement, le télescope spatial a transmis 700 000 magnifiques photographies à la Terre (Fig. 5.9). Il a notamment aidé les astronomes à déterminer l'âge exact de notre Univers - 13,7 milliards d'années ; a contribué à confirmer l'existence d'une forme d'énergie étrange mais extrêmement influente dans l'Univers - énergie sombre; prouvé l'existence de trous noirs supermassifs ; a capturé d'une manière étonnamment claire la chute d'une comète sur Jupiter ; a montré que le processus de formation systèmes planétaires est répandu dans notre Galaxie ; découvert de petites protogalaxies en détectant le rayonnement émis par elles lorsque l'âge de l'Univers était inférieur à 1 milliard d'années.

Les radars sont basés sur l'effet Doppler méthodes laser mesures de vitesse objets divers sur Terre (par exemple, une voiture, un avion, etc.). L'anémométrie laser est une méthode indispensable pour étudier l'écoulement d'un liquide ou d'un gaz. Le mouvement thermique chaotique des atomes d'un corps lumineux provoque également un élargissement des raies dans son spectre, qui augmente avec l'augmentation de la vitesse du mouvement thermique, c'est-à-dire avec une augmentation de la température du gaz. Ce phénomène peut être utilisé pour déterminer la température des gaz chauds.

L'effet Doppler est décrit par la formule :

où est la fréquence de l'onde enregistrée par le récepteur ; - fréquence de l'onde émise par la source ; - dans l'environnement ; et - les vitesses du récepteur et de la source par rapport à milieu élastique respectivement.

Si la source sonore s'approche du récepteur, sa vitesse présente un signe plus. Si la source s'éloigne du récepteur, sa vitesse présente un signe moins.

Il ressort clairement de la formule que lorsque la source et le récepteur se déplacent de telle manière que la distance qui les sépare diminue, la fréquence perçue par le récepteur s'avère supérieure à la fréquence source. Si la distance entre la source et le récepteur augmente, elle sera inférieure à .

L'effet Doppler est à la base des radars, à l'aide desquels les agents de la police de la circulation déterminent la vitesse d'une voiture. En médecine, l'effet Doppler est utilisé pour appareil à ultrasons distinguer les veines des artères lors des injections. Grâce à l'effet Doppler, les astronomes ont découvert que l'Univers est en expansion : les galaxies s'éloignent les unes des autres. Grâce à l'effet Doppler, les paramètres de mouvement des planètes et des engins spatiaux sont déterminés.

Exemples de résolution de problèmes

EXEMPLE 1

EXEMPLE 2

EXEMPLE 3