§ 34.14. Понятие о принципе Доплера.

Австрийский физик X. Доплер в 1842 г. установил, что движение источника колебаний навстречу наблюдателю ведет к увеличению частоты колебаний, воспринимаемых наблюдателем, а удаление — к уменьшению частоты. Это явление, которое называют эффектом Доплера, можно, например, наблюдать, когда мимо нас проезжает подающий сигнал поезд или автомобиль. Пока поезд приближаетсяк нам, мы слышим более высокий тон гудка, а когда удаляется — более низкий, чем при неподвижном источнике звука.

Изменение частоты колебаний в волне (длины волны), воспринимаемое наблюдателем во время сближения или удаления друг от друга источника волн и наблюдателя, называется эффектом Доплера. Эффект Доплера характерен для любых волн, в том числе и для электромагнитных.

Пусть источник язлучает электромагнитные волны (в вакууме) с частотой , где с — скорость света, а — длина волны. За одну секунду волны,

распространяющиеся от источника проходят расстояние, равное с, и через какую-то точку А (рис. 34.16, а) проходит за одну секунду волн. Поэтому неподвижный наблюдатель, находящийся в этой точке, воспринимает волны с частотой

Предположим теперь, что наблюдатель движется по направлению к источнику со скоростью

Рис. 34.16.

Тогда за одну секунду он приблизится к источнику на расстояние АА, численно равное (рис. 34.16, б), и мимо него за 1 с пройдет на нолн больше, чем когда он был неподвижен. Поэтому частота волн воспринимаемая наблюдателем, будет больше, чем на

Нетрудно понять, что если наблюдатель удаляется от исгочника со скоростью то носприиимаемая им частота на меньше, чем

Поскольку то или

Определенной частоте колебаний соответствует определенная длина волны в окружающей среде, поэтому эффект Доплера можно рассматринать как изменение длины нолны, регистрируемое наблюдателем. Подстанин и (34.4) или (34.5), получим Если то и тогда

При этом длина нолны получается на меньше, чем если наблюдатель приближается к источнику (днигаясь навстречу нолнам, он воспринимает их как бы весколько сжатыми), и получается на больше, чем если наблюдатель удаляется от источника (тогда он воспринимает нолны несколько растянутыми). По измевевию длины нолвы (или частоты воспринимаемой наблюдателем, можно определить, с какой скоростью сближаются или удаляются друг от друга источник нолн и наблюдатель.

Следует заметить, что формулы (34.4) — (34.7) справедливы только для скоростей движения много меньших скорости света с. Более строгий нынод формулы для доплеровского смещения требует применения теории относительности (гл. 36).

При исследовании спектров звезд было обнаружено, что звезды движутся относительно Солнечной системы, так как в их спектрах спектральные линии известных элементов оказываются смещенными по сравнению с положением линий в спектре лабораторного (неподвижного) источника излучения. По доплеровскому смещению спектральных линий определяют скорости приближения или удаления звезд.

Когда были получены спектры далеких звездных систем — галактик, было обнаружено смещение линий в сторону длинных волн (к красной части спектра), получившее название «красного смещения», причем оказалось, что чем дальше находится галактика, тем больше «красное смещение» и соответствующая ему скорость удаления галактики. Это позволило предположить, что галактики удаляются друг от друга.