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Alevel物理干货：Doppler Effect
多普勒效应（Doppler Effect）这个名字也许唬住了很多学生，其实这是一个在我们日常生活中经常会见到的现象。当一个声源面向我们靠近的时候，我们听到的声音越来越高；反之，当声源渐渐远离我们，我们听到的声音就会越来越低。回想一下，一辆救护车或者警车不断尖叫着向你驶来的场景，应该会很容易理解这个现象。但就是这么一个简单的事情，引起了物理学家多普勒的兴趣，他对此研究发展出了自己的一套理论。另外，体检过的学生一定都对彩超机器不陌生，实际上，彩超所应用的原理也是多普勒效应。所以说，多普勒效应与我们的生活息息相关。
我们的生活中充满了这样那样的原理，虽然我们并不掌握这些原理，但并不影响我们的正常活动。举个简单的例子，每个人都有手机，手机上下载了各种各样的APP，没有几个人真正了解APP应用的原理，但这并不妨碍我们使用手机。因此人们觉得对这些原理了解与否，并没有什么实质性的改变。其实不然，当你对一个原理了解越多的时候，你就会“活得明白”，而且还能增加一些小小的乐趣。
要了解多普勒效应，首先需要知道多普勒是谁？
多普勒全名克里斯琴·约翰·多普勒，1803年出生于奥地利的萨尔茨堡。克里斯琴·多普勒家族并非科学世家，他们家族经营石匠生意，而按照家族的传统多普勒则理所当然成了生意的接班人。但是多普勒从小体弱多病，这使得他免于承担生意生的重任。试想一下，如果多普勒当时继承家族生意，那么世界上就会多一个毫不显眼的石匠商人，而少了一颗璀璨的科学明珠。
多普勒肖像图
多普勒并非一开始就从事物理学研究，1829年他毕业于维也纳大学，被任命为高等数学和力学教授的助理，在这段时间他发表了几篇论文。但四年之后，他不知想起什么又跑到一家工厂当会计，之后又来到布拉克一所技术中学担任老师，同时还在布拉格理工学院任着兼职讲师。1841年，教学出色的多普勒得到扶正，成为了理工学院的数学教授。
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科学家的灵感有时候比小说家的灵感来的更加写意和传奇，巧合到无以复加，比如砸中牛顿的苹果，梦见咬住自己尾巴的蛇的门捷列夫。多普勒研究多普勒效应的灵感虽然没有苹果和蛇那么闻名，但同样有趣。
那天是休息日，多普勒带孩子出去玩。布拉格理工学院附近有一条铁路，多普勒就带孩子去那里散步。孩子们看着一列火车从远处开来，再呼啸而去，拍手叫好。多普勒却被这个现象给迷惑了，他在想为什么火车在靠近时笛声越来越刺耳，在火车通过他们之后，声调骤然降低。随着火车快速地远去，笛声响度则逐渐变弱，直到消失。换作常人，不会觉得这有什么稀奇。自然是发声的物体距离我们越近，声音越响亮啊。这似乎没有什么值得关注和研究的。但就是这个再平常不过的现象吸引了多普勒的注意，笛声声调变化的原理是什么呢？他一直想着这个问题，都忘了自己是带孩子出来玩，到天黑才回家。
后来，多普勒一直潜心研究这种现象，他发现这是由于振源与观察者之间存在着相对运动，使观察者听到的声音频率不同于振源频率的现象。这就是著名的频移现象。声源和观测者存在着相对运动，当声源离观测者而去时，声波的波长增加，音调降低，当声源接近观测者时，声波的波长减小，音调升高。音调的变化同声源与观测者间的相对速度和声速的比值有关。这一比值越大，改变就越明显，这就是多普勒效应的定义。
彩超应用就是多普勒效应的原理
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多普勒经过更加细入的研究发现声源完成一次全振动时会向外发出一个固定波长的波，频率表示单位时间内完成的全振动的次数，因此波源的频率等于单位时间内波源发出的完全波的个数。观察者听到的声音音调，就是观察者接收到的频率，即单位时间接收到的完全波的个数。当波源和观察者有相对运动时，完全波的个数也会相应的增多或者减少，因此声音的大小就会发生改变。到这里，多普勒彻底研究清楚了声源和观测者之间的关系，并得出一个公式来进行计算。
但是多普勒虽然得出了结论，却没有来及实际验证。这个研究并非他的本职工作，不像今天的科研人员，在基金的资助下，只需要做实验就可以了。因为多普勒效应的发现，他后来被委任为维也纳大学物理学院第一任院长。从此工作越来越繁忙，加上他的身体抱恙，使得他腾不出精力来完善自己的研究。这之后没多久，多普勒就在意大利的威尼斯去世。那一年，他刚刚49岁。
红移和蓝移（Red Shift &Blue Shift）
多普勒效应的应用范围之广超乎人们的想象，文章开始提到一辆向我们驶来的救护车笛声的改变只是多普勒效应小小的展示。多普勒效应不仅仅适用于声波，它也适用于所有类型的波。美国天文学家哈勃发现远离银河系的天体发射的光线频率变低，即移向光谱的红端，他将这种现象称为红移，天体离开银河系的速度越快红移越大，这说明这些天体在远离银河系。这也是多普勒效应的一种应用。通过多普勒效应，哈勃得出了宇宙正在膨胀的结论。天文学家观察到遥远星体光谱的红移现象，可以计算出星体与地球的相对速度。我们生活中经常可以见到移动信号基站，这些基站为手机发送信号，以完成人们通话和上网得需求。要知道移动信号基站的建设也考虑到了多普勒效应。警方可用雷达侦测车速，也是多普勒效应的应用之一。 所以说，看似跟我们似乎毫不相关的多普勒效应实际上影响着我们每一天的生活，还有我们的宇宙。
本文来源：https://www.wddqxz.cn/1cd89ef6f56527d3240c844769eae009581ba2e9.html
2022-05-16
