Эффект Доплера

С помощью радаров можно определить не только положение объекта, но и скорость его движения. Способ определения скорости опирается на физическое явление, заключающееся в том, что частота синусоидальной волны увеличивается при отражении от движущегося навстречу волне тела и уменьшается при отражении от тела, движущегося в ту же сторону, что и волна (эффект Доплера). Это относится не только к отражению, но и к генерации волн движущимся источником. Кинематику этого явления легко понять с помощью аналогии на примере следующей механической задачи.

Задача 4. Спортсмены бегут колонной со скоростью c, строго выдерживая интервал между соседями длины b. Навстречу бежит тренер со скоростью u<c. Каждый спортсмен, поравнявшись с тренером, разворачивается и бежит в противоположную сторону с той же по модулю скоростью c. Какую длину имеет расстояние между спортсменами в колонне, “отразившейся” от тренера? Как изменяется “частота” следования спортсменов после “отражения” от тренера?

Колонна аналогична волне, изменение направления бега спортсменов при встрече с тренером - отражению, расстояние между спортсменами в колонне аналогично длине волны, скорость движения колонны - скорости распространения электромагнитной волны. “Длина волны” уменьшается при “отражении” (а вместе с ней и частота следования спортсменов) из-за того, что между двумя последовательными встречами тренера со спортсменами тренер успевает пробежать некоторое расстояние навстречу, и каждому спортсмену остается пробежать меньшее расстояние, чем b. Спортсмен раньше поворачивает назад, чем в случае поворота при встрече с неподвижной отметкой.

Итог. Частотаволны n 0, падающей по нормали на движущуюся со скоростью u поверхность, изменяется при отражении на величину .

Задача 5. Астрономические наблюдения за далекими галактиками показали, что частоты n всех линий в спектрах известных элементов уменьшены в одном и том же отношении: Dn/n или Dl/l (красное смещение).Это отношение не зависит от длины волны. Величина d=Dl/l является характеристикой красного смещения. Оказывается, что параметр d тем больше, чем дальше от нас расположена галактика: dc=H0r, где r - расстояние от нас до галактики, измеряемое в мегапарсеках (Мпк), 1 Мпк=3,08×1022м, H0 - постоянная Хаббла, равная 75 км/(с×Мпк). Считается, что красное смещение является следствием эффекта Доплера из-за всестороннего расширения вселенной.
С какой скоростью удаляется от нас галактика, если наблюдаемые линии ее спектров излучения смещены в красную сторону на 10%. На каком расстоянии от нас находится эта галактика?

Задача 6. При наблюдении спектров раскаленных газов обнаруживается, что излучение атомов, соответствующее какой-либо линии спектра, не является монохроматическим. Интенсивность излучения любой линии имеет колоколообразное распределение. Объясните причины уширения линий. Предложите экспериментальный способ измерения температуры газа из измерений уширения спектральных линий.