Efek Doppler untuk rumus gelombang cahaya. Efek Doppler untuk gelombang suara

Jika sumber bunyi dan pengamat bergerak relatif satu sama lain, maka frekuensi bunyi yang ditangkap pengamat tidak sama dengan frekuensi sumber bunyi. Fenomena yang ditemukan pada tahun 1842 ini disebut Efek Doppler .

Gelombang suara merambat di udara (atau lainnya lingkungan yang homogen) Dengan kecepatan konstan, yang hanya bergantung pada sifat-sifat lingkungan. Namun, panjang gelombang dan frekuensi suara dapat berubah secara signifikan seiring dengan pergerakan sumber suara dan pengamat.

Mari kita perhatikan kasus sederhana ketika kecepatan sumber adalah υ И dan kecepatan pengamat adalah υ Н relatif terhadap lingkungan diarahkan sepanjang garis lurus yang menghubungkannya. Untuk arah positif bagi υDANdan υNseseorang dapat mengambil arah dari pengamat ke sumber. Kecepatan suara υ selalu dianggap positif.

Beras. 2.8.1 mengilustrasikan efek Doppler dalam kasus pengamat bergerak dan sumber diam. Periode getaran suara, yang dirasakan oleh pengamat, dilambangkan dengan T N.Dari Gambar. 2.8.1 berikut:

Mempertimbangkan

Jika pengamat bergerak searah dengan sumber (υ Н > 0), maka F T> F Dan jika pengamat berpindah dari sumber (υ N< 0), то F N< F DAN.

Pada Gambar. 2.8.2 pengamat tidak bergerak, dan sumber bunyi bergerak dengan kecepatan tertentu υ И. 2.8.2 hubungan berikut ini valid:

Ini mengikuti dari ini:

Jika sumber menjauhi pengamat, maka υ И > 0 dan oleh karena itu, F N< F I. Jika sumber mendekati pengamat, maka υ I< 0 и F T> F DAN.

DI DALAM kasus umum, ketika sumber dan pengamat bergerak dengan kecepatan υ И dan υ Н, rumus efek Doppler berbentuk:

Rasio ini menyatakan hubungan antara F n dan F I. Kecepatan υ I dan υ N selalu diukur relatif terhadap udara atau medium lain yang menjadi tempat merambatnya gelombang bunyi. Inilah yang disebut efek Doppler non-relativistik.

Jika gelombang elektromagnetik dalam ruang hampa (cahaya, gelombang radio) efek Doppler juga diamati. Karena perambatan gelombang elektromagnetik tidak memerlukan lingkungan materi, hanya dapat dipertimbangkan kecepatan relatif sumber dan pengamat.

Ekspresi untuk efek Doppler relativistik sepertinya

Di mana C- kecepatan cahaya. Ketika υ > 0, sumber menjauh dari pengamat dan F N< F Dan, dalam kasus υ< 0 источник приближается к наблюдателю, и F T> F DAN.

Efek Doppler banyak digunakan dalam teknologi untuk mengukur kecepatan benda bergerak ( "Lokasi Doppler" dalam akustik, optik dan radio).

Pernahkah Anda memperhatikan suara sirine mobil ketinggian yang berbeda kapan ia mendekat atau menjauh relatif terhadap Anda?

Perbedaan frekuensi peluit atau sirene kereta atau gerbong yang bergerak dan mendekat mungkin merupakan contoh efek Doppler yang paling jelas dan tersebar luas. Secara teoritis ditemukan oleh fisikawan Austria Christian Doppler, efek ini nantinya memainkan peran penting dalam sains dan teknologi.

Bagi seorang pengamat, panjang gelombang radiasi akan memiliki arti yang berbeda pada kecepatan sumber yang berbeda relatif terhadap pengamat. Saat sumber mendekat, panjang gelombangnya akan berkurang, dan saat sumbernya menjauh, panjang gelombangnya akan bertambah. Oleh karena itu, dengan panjang gelombang frekuensinya juga berubah. Oleh karena itu, frekuensi bunyi peluit kereta yang mendekat terasa lebih tinggi daripada frekuensi bunyi peluit saat kereta menjauh. Sebenarnya inilah inti dari efek Doppler.

Efek Doppler mendasari pengoperasian banyak instrumen pengukuran dan penelitian. Saat ini banyak digunakan dalam pengobatan, penerbangan, astronotika, dan bahkan kehidupan sehari-hari. Efek Doppler menggerakkan navigasi satelit dan radar jalan raya, mesin ultrasonik, dan alarm keamanan. Efek Doppler telah diterapkan secara luas di riset ilmiah. Mungkin dia paling terkenal di bidang astronomi.

Penjelasan efeknya

Untuk memahami sifat efek Doppler, lihat saja permukaan air. Lingkaran di atas air dengan sempurna menunjukkan ketiga komponen gelombang apa pun. Mari kita bayangkan suatu pelampung yang diam menciptakan lingkaran. Dalam hal ini, periodenya akan sesuai dengan waktu yang berlalu antara emisi lingkaran yang satu dan lingkaran berikutnya. Frekuensinya sama dengan banyaknya lingkaran yang dipancarkan pelampung dalam jangka waktu tertentu. Panjang gelombangnya akan sama dengan selisih jari-jari dua lingkaran yang dipancarkan secara berurutan (jarak antara dua puncak yang berdekatan).

Bayangkan sebuah perahu sedang mendekati kendaraan hias yang tidak bergerak ini. Karena bergerak menuju punggung bukit, kecepatan perahu akan ditambah dengan kecepatan rambat lingkaran. Oleh karena itu, relatif terhadap perahu, kecepatan punggung bukit yang mendekat akan meningkat. Panjang gelombangnya akan berkurang pada saat yang bersamaan. Akibatnya, waktu yang dibutuhkan antara tumbukan dua lingkaran yang berdekatan pada sisi perahu akan berkurang. Dengan kata lain, periodenya akan berkurang dan frekuensinya akan bertambah. Dengan cara yang sama, untuk perahu yang sedang surut, kecepatan puncak yang mengejarnya akan berkurang, dan panjang gelombang akan meningkat. Artinya menambah periode dan mengurangi frekuensinya.

Sekarang bayangkan pelampung itu terletak di antara dua perahu yang tidak bergerak. Terlebih lagi, nelayan di salah satu dari mereka menarik pelampung ke arah dirinya. Memperoleh kecepatan relatif terhadap permukaan, pelampung terus mengeluarkan lingkaran yang persis sama. Namun, pusat setiap lingkaran berikutnya akan digeser relatif terhadap pusat lingkaran sebelumnya ke arah perahu yang didekati oleh pelampung. Oleh karena itu, pada sisi perahu ini jarak antar punggung bukit akan diperkecil. Ternyata lingkaran-lingkaran yang panjang gelombangnya diperkecil, yang berarti periodenya diperkecil dan frekuensinya diperbesar, akan sampai ke perahu bersama nelayan yang menarik pelampung. Demikian pula, gelombang dengan panjang, periode, dan frekuensi yang berkurang akan mencapai nelayan lain.

Bintang beraneka warna

Pola perubahan karakteristik gelombang di permukaan air seperti itu pernah diperhatikan oleh Christian Doppler. Dia menggambarkan setiap kasus tersebut secara matematis dan menerapkan data yang diperoleh pada suara dan cahaya, yang juga memilikinya sifat gelombang. Doppler berpendapat bahwa warna bintang secara langsung bergantung pada kecepatan mereka mendekati atau menjauh dari kita. Dia menguraikan hipotesis ini dalam sebuah artikel yang dia presentasikan pada tahun 1842.

Perhatikan bahwa Doppler salah dalam menentukan warna bintang. Dia percaya bahwa semua bintang memancarkan cahaya putih, yang kemudian terdistorsi karena kecepatannya relatif terhadap pengamat. Faktanya, efek Doppler tidak mempengaruhi warna bintang, melainkan pola spektrumnya. Untuk bintang yang menjauh dari kita, semua garis gelap spektrum akan bertambah panjang gelombangnya - bergeser ke sisi merah. Efek ini ditetapkan dalam sains dengan nama “pergeseran merah”. Sebaliknya, pada bintang yang mendekat, garis cenderung ke bagian spektrum dengan frekuensi lebih tinggi, yaitu warna ungu.

Ciri garis spektrum ini, berdasarkan rumus Doppler, secara teori telah diprediksi pada tahun 1848 fisikawan Perancis ArmanFiso. Hal ini dikonfirmasi secara eksperimental pada tahun 1868 oleh William Huggins, yang memberikan kontribusi besar pada studi spektral ruang. Pada abad ke-20, efek Doppler untuk garis-garis dalam spektrum disebut “pergeseran merah”, dan kita akan membahasnya kembali.

Konser di rel

Pada tahun 1845, ahli meteorologi Belanda Beuys-Ballot, dan kemudian Doppler sendiri, melakukan serangkaian eksperimen untuk menguji efek “suara” Doppler. Dalam kedua kasus tersebut, mereka menggunakan efek klakson kereta yang mendekat dan berangkat yang disebutkan sebelumnya. Peran peluit dimainkan oleh kelompok pemain terompet yang memainkan nada tertentu saat berada di dalam gerbong terbuka kereta api yang sedang melaju.

Beuys-Ballot membiarkan pemain terompet melewati orang-orang dengan pendengaran yang baik, yang mencatat perubahan nada kapan kecepatan yang berbeda komposisi. Dia kemudian mengulangi percobaan ini, menempatkan pemain terompet di atas panggung dan para pendengarnya di dalam kereta. Doppler mencatat disonansi nada dua kelompok pemain terompet, yang mendekat dan menjauh darinya pada saat yang sama, memainkan satu nada.

Dalam kedua kasus tersebut, efek Doppler untuk gelombang suara berhasil dikonfirmasi. Selain itu, kita masing-masing dapat melakukan eksperimen ini kehidupan sehari-hari dan konfirmasikan sendiri. Oleh karena itu, meskipun efek Doppler dikritik oleh orang-orang sezamannya, penelitian lebih lanjut membuat hal ini tidak dapat disangkal.

Seperti disebutkan sebelumnya, efek Doppler digunakan untuk menentukan kecepatan benda luar angkasa relatif terhadap pengamat.

Garis-garis gelap pada spektrum benda-benda kosmik pada awalnya selalu terletak di lokasi yang tetap. Lokasi ini sesuai dengan panjang gelombang serapan suatu unsur tertentu. Untuk objek yang mendekat atau menjauh, semua pita mengubah posisinya masing-masing ke wilayah spektrum ungu atau merah. Membandingkan garis spektrum terestrial unsur kimia Dengan garis serupa pada spektrum bintang, kita dapat memperkirakan seberapa cepat suatu benda mendekat atau menjauh dari kita.

Pergeseran merah pada spektrum galaksi ditemukan oleh astronom Amerika Vesto Slifer pada tahun 1914. Rekan senegaranya Edwin Hubble membandingkan jarak galaksi yang ditemukannya dengan besarnya pergeseran merahnya. Jadi pada tahun 1929 dia sampai pada kesimpulan bahwa semakin jauh galaksi, semakin cepat ia menjauh dari kita. Ternyata kemudian, hukum yang ditemukannya kurang akurat dan kurang tepat menggambarkan gambaran sebenarnya. Namun, Hubble memberikan tren yang tepat untuk penelitian lebih lanjut oleh ilmuwan lain, yang kemudian memperkenalkan konsep pergeseran merah kosmologis.

Berbeda dengan pergeseran merah Doppler, yang timbul dari gerak alami galaksi relatif terhadap kita, pergeseran merah kosmologis timbul dari perluasan ruang. Seperti yang Anda ketahui, Alam Semesta mengembang secara merata di seluruh volumenya. Oleh karena itu, semakin jauh jarak dua galaksi, semakin cepat pula mereka menjauh satu sama lain. Jadi setiap megaparsec antar galaksi akan saling menjauh sekitar 70 kilometer setiap detiknya. Besaran ini disebut konstanta Hubble. Menariknya, Hubble sendiri pada awalnya memperkirakan konstanta kecepatannya sebesar 500 km/s per megaparsec.

Hal ini dijelaskan oleh fakta bahwa dia tidak memperhitungkan fakta bahwa pergeseran merah di galaksi mana pun adalah jumlah dari dua pergeseran merah yang berbeda. Selain didorong oleh perluasan alam semesta, galaksi juga melakukan pergerakannya sendiri. Jika pergeseran merah relativistik terjadi pemerataan untuk semua jarak, Doppler menerima perbedaan yang paling tidak terduga. Bagaimanapun gerakan sendiri galaksi-galaksi dalam gugusnya hanya bergantung pada pengaruh gravitasi timbal balik.

Galaksi dekat dan jauh

Di antara galaksi-galaksi yang berdekatan, konstanta Hubble secara praktis tidak dapat diterapkan untuk memperkirakan jarak antar galaksi. Misalnya, galaksi Andromeda yang relatif terhadap kita mengalami pergeseran ungu total saat ia mendekat Bimasakti dengan kecepatan sekitar 150 km/s. Jika kita menerapkan hukum Hubble pada objek tersebut, maka objek tersebut seharusnya bergerak menjauh dari galaksi kita dengan kecepatan 50 km/s, yang tidak sesuai dengan kenyataan sama sekali.

Untuk galaksi jauh, pergeseran merah Doppler hampir tidak terlihat. Kecepatan perpindahannya dari kita berbanding lurus dengan jarak dan, dengan kesalahan kecil, sesuai dengan konstanta Hubble. Jadi quasar terjauh bergerak menjauhi kita dengan kecepatan lebih besar dari kecepatan cahaya. Anehnya, hal ini tidak bertentangan dengan teori relativitas, karena ini adalah kecepatan perluasan ruang, dan bukan objek itu sendiri. Oleh karena itu, penting untuk dapat membedakan pergeseran merah Doppler dari pergeseran merah kosmologis.

Perlu juga dicatat bahwa dalam kasus gelombang elektromagnetik, efek relativistik juga terjadi. Distorsi waktu yang menyertainya dan perubahan dimensi linier ketika benda bergerak relatif terhadap pengamat juga mempengaruhi karakter gelombang. Seperti halnya dengan efek relativistik

Tentu saja, tanpa efek Doppler, yang memungkinkan penemuan pergeseran merah, kita tidak akan mengetahui struktur alam semesta berskala besar. Namun, para astronom berutang lebih dari ini pada sifat gelombang ini.

Efek Doppler dapat mendeteksi sedikit penyimpangan pada posisi bintang, yang dapat disebabkan oleh planet yang mengorbit di sekitarnya. Berkat ini, ratusan eksoplanet telah ditemukan. Hal ini juga digunakan untuk mengkonfirmasi keberadaan exoplanet yang sebelumnya ditemukan menggunakan metode lain.

Efek Doppler dimainkan peran yang menentukan dalam studi sistem bintang dekat. Ketika dua bintang berada sangat dekat sehingga tidak dapat dilihat secara terpisah, efek Doppler membantu para astronom. Hal ini memungkinkan Anda untuk melacak pergerakan timbal balik bintang yang tidak terlihat di sepanjang spektrumnya. Sistem bintang seperti itu bahkan disebut “biner optik”.

Dengan menggunakan efek Doppler, Anda tidak hanya dapat memperkirakan kecepatan objek luar angkasa, tetapi juga kecepatan rotasinya, pemuaiannya, kecepatan aliran atmosfernya, dan banyak lagi. Kecepatan cincin Saturnus, perluasan nebula, denyut bintang semuanya diukur berkat efek ini. Bahkan digunakan untuk menentukan suhu bintang, karena suhu juga merupakan indikator pergerakan. Dapat dikatakan bahwa astronom modern mengukur hampir semua hal yang berhubungan dengan kecepatan benda luar angkasa menggunakan efek Doppler.

Efek Doppler dijelaskan dengan rumus:

dimana frekuensi gelombang yang direkam oleh penerima; - frekuensi gelombang yang dipancarkan oleh sumbernya; - di lingkungan; dan - kecepatan penerima dan sumber relatif terhadap media elastis masing-masing.

Jika sumber bunyi mendekati penerima, maka kecepatannya mempunyai tanda plus. Jika sumber menjauh dari penerima, kecepatannya bertanda minus.

Rumusnya jelas bahwa ketika sumber dan penerima bergerak sedemikian rupa sehingga jarak antara keduanya berkurang, frekuensi yang dirasakan penerima ternyata lebih besar daripada frekuensi sumber. Jika jarak antara sumber dan penerima bertambah, maka akan menjadi kurang dari .

Efek Doppler adalah dasar dari radar, yang dengannya petugas polisi lalu lintas menentukan kecepatan mobil. Dalam pengobatan, efek Doppler digunakan perangkat ultrasonik membedakan vena dari arteri saat melakukan suntikan. Berkat efek Doppler, para astronom menemukan bahwa Alam Semesta mengembang - galaksi-galaksi bergerak menjauhi satu sama lain. Dengan menggunakan efek Doppler, parameter pergerakan planet dan pesawat ruang angkasa ditentukan.

Contoh pemecahan masalah

CONTOH 1

CONTOH 2

CONTOH 3

Diketahui bahwa ketika kereta listrik yang bergerak cepat mendekati pengamat yang diam, sinyal suaranya terdengar lebih tinggi, dan ketika menjauh dari pengamat, sinyal suaranya tampak lebih rendah daripada sinyal kereta listrik yang sama, tetapi diam.

Efek Doppler disebut perubahan frekuensi gelombang yang direkam oleh penerima, yang terjadi karena pergerakan sumber gelombang tersebut dan penerima.

Sumber, yang bergerak menuju penerima, seolah-olah menekan pegas - gelombang (Gbr. 5.6).

Efek ini diamati selama perambatan gelombang suara (efek akustik) dan gelombang elektromagnetik (efek optik).

Mari kita pertimbangkan beberapa kasus manifestasinya efek Doppler akustik .

Biarkan penerima gelombang suara P dalam medium gas (atau cair) diam relatif terhadapnya, dan sumber I menjauh dari penerima dengan kecepatan sepanjang garis lurus yang menghubungkannya (Gbr. 5.7, A).

Sumber bergerak dalam medium selama periode waktu tertentu sama dengan periodenya osilasinya, pada jarak , di mana adalah frekuensi osilasi sumber.

Oleh karena itu, ketika sumber bergerak, panjang gelombang dalam medium berbeda dengan nilainya pada sumber diam:

,

Di mana - kecepatan fase gelombang di medium.

Frekuensi gelombang yang direkam oleh penerima adalah

(5.7.1)

Jika vektor kecepatan sumber diarahkan ke bawah sudut sewenang-wenang ke vektor radius yang menghubungkan penerima stasioner dengan sumber (Gbr. 5.7, B), Itu

(5.7.2)

Jika sumbernya diam dan penerima mendekatinya dengan kecepatan sepanjang garis lurus yang menghubungkannya (Gbr. 5.7, V), maka panjang gelombang dalam medium tersebut adalah . Namun cepat rambat gelombang relatif terhadap penerima sama dengan , sehingga frekuensi gelombang yang terekam oleh penerima

Dalam kasus ketika kecepatan diarahkan pada sudut sembarang terhadap vektor jari-jari yang menghubungkan penerima bergerak dengan sumber diam (Gbr. 5.7, G), kami memiliki:

Rumus ini juga dapat direpresentasikan sebagai (jika)

dimana adalah kecepatan sumber gelombang relatif terhadap penerima, dan merupakan sudut antara vektor dan . Besarnya, sama dengan proyeksi ke arah, disebut kecepatan radial sumber.

Efek Doppler optik

Ketika sumber dan penerima gelombang elektromagnetik bergerak relatif satu sama lain, hal ini juga diamati Efek Doppler , yaitu perubahan frekuensi gelombang, didaftarkan oleh penerima. Berbeda dengan efek Doppler yang kita bahas dalam akustik, pola fenomena gelombang elektromagnetik ini hanya dapat ditentukan berdasarkan teori khusus relativitas.

Menggambarkan hubungan Efek Doppler Untuk gelombang elektromagnetik dalam ruang hampa, dengan memperhatikan transformasi Lorentz, berbentuk:

.

(5.7.7)

Pada kecepatan rendah pergerakan sumber gelombang relatif terhadap penerima, rumus relativistik untuk efek Doppler (5.7.7) bertepatan dengan rumus klasik (5.7.2).

Jika sumber bergerak relatif terhadap penerima sepanjang garis lurus yang menghubungkannya, maka kita amati efek Doppler memanjang .

Jika mendekati sumber dan penerima ()

,

(5.7.8)

dan dalam hal saling menghilangkan ()

.

(5.7.9)

Selain itu, dari teori relativistik efek Doppler mengikuti keberadaan efek Doppler transversal , diamati pada dan , yaitu. dalam kasus di mana sumber bergerak tegak lurus terhadap garis pengamatan (misalnya, sumber bergerak melingkar, penerima berada di tengah):

.

(5.7.10)

Efek Doppler transversal tidak dapat dijelaskan dalam fisika klasik. Ini mewakili efek relativistik murni.

Terlihat dari rumus (5.7.10), pengaruh melintang sebanding dengan rasio, oleh karena itu jauh lebih lemah dibandingkan pengaruh memanjang yang sebanding dengan (5.7.9).

Secara umum vektor kecepatan relatif dapat dipecah menjadi beberapa komponen: yang satu memberikan efek memanjang, yang lain memberikan efek melintang.

Keberadaan efek Doppler transversal mengikuti langsung dari pelebaran waktu dalam kerangka acuan yang bergerak.

Untuk pertama kalinya, verifikasi eksperimental keberadaan efek Doppler dan kebenarannya rumus relativistik(5.7.7) telah dilaksanakan fisikawan Amerika G. Ives dan D. Stilwell di usia 30-an. Dengan menggunakan spektograf, mereka mempelajari radiasi atom hidrogen yang dipercepat hingga kecepatan m/s. Pada tahun 1938 hasilnya dipublikasikan. Ringkasan: efek Doppler transversal diamati sepenuhnya sesuai dengan transformasi frekuensi relativistik (spektrum emisi atom ternyata bergeser ke wilayah frekuensi rendah); kesimpulan tentang pelebaran waktu pada kendaraan yang bergerak sistem inersia hitungan mundur dikonfirmasi.

Efek Doppler telah diterapkan secara luas dalam sains dan teknologi. Fenomena ini memainkan peran yang sangat penting dalam astrofisika. Berdasarkan pergeseran Doppler pada garis serapan dalam spektrum bintang dan nebula, kecepatan radial benda-benda ini relatif terhadap Bumi dapat ditentukan: di menggunakan rumus (5.7.6)

.

(5.7.11)

Astronom Amerika E. Hubble menemukan pada tahun 1929 sebuah fenomena yang disebut pergeseran merah kosmologis dan terdiri dari fakta bahwa garis-garis spektrum emisi objek ekstragalaksi bergeser ke arah frekuensi yang lebih rendah (panjang gelombang lebih panjang). Ternyata untuk setiap benda pergeseran frekuensi relatif (adalah frekuensi garis dalam spektrum sumber diam, adalah frekuensi yang diamati) adalah sama persis untuk semua frekuensi. Pergeseran merah kosmologis tidak lain hanyalah efek Doppler. Hal ini menandakan Metagalaxy sedang mengembang, sehingga benda-benda ekstragalaksi menjauhi Galaksi kita.

Metagalaxy dipahami sebagai totalitas dari semuanya sistem bintang. Dengan teleskop modern, Anda dapat mengamati bagian Metagalaxy yang radius optiknya sama . Keberadaan fenomena ini secara teoritis telah diprediksi pada tahun 1922 oleh ilmuwan Soviet A.A. Friedman berdasarkan perkembangan teori umum relativitas.

Hubble menetapkan hukum yang sesuai dengan itu pergeseran merah relatif galaksi meningkat sebanding dengan jaraknya .

Hukum Hubble dapat ditulis dalam bentuk

,

(5.7.12)

Di mana H– Konstanta Hubble. Menurut sebagian besar perkiraan modern, dilakukan pada tahun 2003, . (1 pc (parsec) adalah jarak yang ditempuh cahaya dalam ruang hampa dalam 3,27 tahun ( )).

Pada tahun 1990, ia diluncurkan ke orbit dengan pesawat ulang-alik Discovery. teleskop luar angkasa dinamai Hubble (Gbr. 5.8).

Beras. 5.8	Beras. 5.9

Para astronom telah lama memimpikan sebuah teleskop yang dapat beroperasi dalam jangkauan penglihatan, namun melampauinya atmosfer bumi, yang sangat mengganggu pengamatan. Hubble tidak hanya tidak mengecewakan harapan yang diberikan padanya, tetapi bahkan melampaui hampir semua harapan. Dia secara luar biasa memperluas “bidang pandang” umat manusia, melihat ke kedalaman alam semesta yang tak terbayangkan. Selama pengoperasiannya, teleskop luar angkasa mengirimkan 700 ribu foto menakjubkan ke bumi (Gbr. 5.9). Secara khusus, ia membantu para astronom menentukan usia pasti Alam Semesta kita - 13,7 miliar tahun; membantu mengkonfirmasi keberadaan bentuk energi yang aneh namun sangat berpengaruh di alam semesta - energi gelap; membuktikan keberadaan lubang hitam supermasif; dengan sangat jelas menangkap jatuhnya sebuah komet di Jupiter; menunjukkan bahwa proses pembentukan sistem planet tersebar luas di Galaksi kita; menemukan protogalaksi kecil dengan mendeteksi radiasi yang dipancarkannya ketika usia alam semesta kurang dari 1 miliar tahun.

Radar didasarkan pada efek Doppler metode laser pengukuran kecepatan berbagai objek di Bumi (misalnya, mobil, pesawat terbang, dll.). Anemometri laser adalah metode yang sangat diperlukan untuk mempelajari aliran cairan atau gas. Gerakan termal yang kacau dari atom-atom benda bercahaya juga menyebabkan perluasan garis spektrumnya, yang meningkat seiring dengan meningkatnya kecepatan gerakan termal, yaitu. dengan meningkatnya suhu gas. Fenomena ini dapat digunakan untuk menentukan suhu gas panas.

– fenomena yang paling penting dalam fisika gelombang. Sebelum langsung ke inti permasalahan, sedikit teori pengantar.

Keraguan– sampai tingkat tertentu, proses berulang yang mengubah keadaan suatu sistem di sekitar posisi setimbang. Melambai- ini adalah osilasi yang dapat menjauh dari tempat asalnya, merambat dalam medium. Gelombangnya bercirikan amplitudo, panjang Dan frekuensi. Bunyi yang kita dengar merupakan gelombang, yaitu getaran mekanis partikel udara yang merambat dari sumber bunyi.

Berbekal informasi tentang gelombang, mari beralih ke efek Doppler. Dan jika Anda ingin mempelajari lebih lanjut tentang getaran, gelombang dan resonansi, selamat datang di blog kami.

Inti dari efek Doppler

Contoh paling populer dan sederhana yang menjelaskan esensi efek Doppler adalah pengamat diam dan mobil dengan sirene. Katakanlah Anda sedang berdiri di halte bus. Ambulans dengan sirene menyala sedang menuju ke arah Anda. Frekuensi suara yang terdengar saat mobil mendekat tidaklah sama.

Mula-mula suaranya akan lebih banyak frekuensi tinggi saat mobil berhenti. Anda akan mendengar frekuensi sebenarnya dari suara sirene, dan frekuensi suara tersebut akan berkurang seiring Anda menjauh. Ini dia Efek Doppler.

Frekuensi dan panjang gelombang radiasi yang dirasakan oleh pengamat berubah karena pergerakan sumber radiasi.

Jika Cap ditanya siapa yang menemukan efek Doppler, dia akan menjawab tanpa ragu bahwa Doppler yang melakukannya. Dan dia akan benar. Fenomena ini, secara teoritis dibuktikan dalam 1842 tahun oleh fisikawan Austria Kristen Doppler, kemudian dinamai menurut namanya. Doppler sendiri memperoleh teorinya dengan mengamati riak-riak di air dan menyatakan bahwa pengamatan tersebut dapat digeneralisasikan ke semua gelombang. Efek Doppler untuk suara dan cahaya kemudian dapat dikonfirmasi secara eksperimental.

Di atas kita melihat contoh efek Doppler untuk gelombang suara. Namun efek Doppler tidak hanya berlaku pada suara. Ada:

• Efek Doppler Akustik;
• Efek Doppler optik;
• Efek Doppler untuk gelombang elektromagnetik;
• Efek Doppler relativistik.

Eksperimen dengan gelombang suaralah yang membantu menghasilkan penemuan pertama konfirmasi eksperimental efek ini.

Konfirmasi eksperimental efek Doppler

Konfirmasi kebenaran alasan Christian Doppler dikaitkan dengan salah satu hal yang menarik dan tidak biasa eksperimen fisik. DI DALAM 1845 ahli meteorologi dari Belanda Pemungutan Suara Kristen mengambil lokomotif yang kuat dan orkestra yang terdiri dari musisi dengan nada yang sempurna. Beberapa musisi - ini adalah pemain terompet - naik di area terbuka kereta dan terus-menerus memainkan nada yang sama. Katakanlah itu A pada oktaf kedua.

Musisi lain berada di stasiun mendengarkan apa yang dimainkan rekan mereka. Audiensi mutlak dari semua peserta eksperimen mengurangi kemungkinan kesalahan seminimal mungkin. Percobaan berlangsung selama dua hari, semua orang lelah, banyak batu bara yang terbakar, namun hasilnya sepadan. Ternyata tinggi nada bunyi sangat bergantung pada kecepatan relatif sumber atau pengamat (pendengar).

Penerapan efek Doppler

Salah satu aplikasi yang paling banyak dikenal adalah penentuan kecepatan benda bergerak dengan menggunakan sensor kecepatan. Sinyal radio yang dikirim oleh radar dipantulkan dari mobil dan dikembalikan. Dalam hal ini, offset frekuensi saat sinyal kembali berhubungan langsung dengan kecepatan mesin. Dengan membandingkan kecepatan dan perubahan frekuensi, kecepatan dapat dihitung.

Efek Doppler banyak digunakan dalam pengobatan. Pengoperasian perangkat diagnostik ultrasound didasarkan pada hal itu. Ada teknik tersendiri dalam USG yang disebut Dopplerografi.

Efek Doppler juga digunakan dalam optik, akustik, elektronik radio, astronomi, radar.

Omong-omong! Untuk pembaca kami sekarang ada diskon 10%.

Penemuan efek Doppler berperan peran penting selama pembentukan fisika modern. Salah satu konfirmasinya teori ledakan besar didasarkan pada efek ini. Apa hubungan efek Doppler dan Big Bang? Menurut teori Big Bang, alam semesta mengembang.

Saat mengamati galaksi jauh, pergeseran merah diamati - pergeseran garis spektral ke sisi merah spektrum. Menjelaskan pergeseran merah menggunakan efek Doppler, kita dapat menarik kesimpulan yang sesuai dengan teori: galaksi menjauh satu sama lain, Alam Semesta mengembang.

Rumus efek Doppler

Ketika teori efek Doppler dikritik, salah satu argumen penentang ilmuwan adalah fakta bahwa teori tersebut hanya dimuat dalam delapan halaman, dan penurunan rumus efek Doppler tidak mengandung perhitungan matematis yang rumit. Menurut kami, ini hanya nilai tambah!

Membiarkan kamu – kecepatan penerima relatif terhadap medium, ay – kecepatan sumber gelombang relatif terhadap medium, Dengan - kecepatan rambat gelombang dalam medium, w0 - frekuensi gelombang sumber. Maka rumus efek Doppler secara umum akan terlihat seperti ini:

Di Sini w – frekuensi yang akan direkam oleh penerima.

Efek Doppler relativistik

Berbeda dengan efek Doppler klasik, ketika gelombang elektromagnetik merambat dalam ruang hampa, SRT harus digunakan untuk menghitung efek Doppler dan pelebaran waktu relativistik harus diperhitungkan. Biarkan cahaya - Dengan , ay – kecepatan sumber relatif terhadap penerima, theta – sudut antara arah ke sumber dan vektor kecepatan yang dikaitkan dengan sistem referensi penerima. Lalu rumus untuk efek relativistik Dopplernya akan terlihat seperti:

Hari ini kita berbicara tentang efek yang paling penting dunia kita - efek Doppler. Apakah Anda ingin mempelajari cara mengatasi masalah efek Doppler dengan cepat dan mudah? Tanyakan kepada mereka dan mereka akan dengan senang hati membagikan pengalamannya! Dan pada akhirnya - sedikit lebih banyak tentang teori Big Bang dan efek Doppler.