火車汽笛為什么變化?淺談多普勒效應(yīng)

一、聲波的多普勒效應(yīng)

　　在日常生活中，我們都會有這種經(jīng)驗(yàn)：當(dāng)一列鳴著汽笛的火車經(jīng)過某觀察者時(shí)，他會發(fā)現(xiàn)火車汽笛的聲調(diào)由高

變低. 為什么會發(fā)生這種現(xiàn)象呢？這是因?yàn)槁曊{(diào)的高低是由聲波振動頻率的不同決定的，如果頻率高，聲調(diào)聽起來

就高；反之聲調(diào)聽起來就低.這種現(xiàn)象稱為多普勒效應(yīng)，它是用發(fā)現(xiàn)者克里斯蒂安·多普勒（Christian

Doppler,1803-1853）的名字命名的，多普勒是奧地利物理學(xué)家和數(shù)學(xué)家.他于1842年首先發(fā)現(xiàn)了這種效應(yīng).為了理

解這一現(xiàn)象，就需要考察火車以恒定速度駛近時(shí)，汽笛發(fā)出的聲波在傳播時(shí)的規(guī)律.其結(jié)果是聲波的波長縮短，好象

波被壓縮了.因此，在一定時(shí)間間隔內(nèi)傳播的波數(shù)就增加了，這就是觀察者為什么會感受到聲調(diào)變高的原因；相反，

當(dāng)火車駛向遠(yuǎn)方時(shí)，聲波的波長變大，好象波被拉伸了. 因此，聲音聽起來就顯得低沉.定量分析得到f1=（u+v0）

/（u-vs）f ，其中vs為波源相對于介質(zhì)的速度，v0為觀察者相對于介質(zhì)的速度，f表示波源的固有頻率，u表示波

在靜止介質(zhì)中的傳播速度. 當(dāng)觀察者朝波源運(yùn)動時(shí)，v0取正號；當(dāng)觀察者背離波源（即順著波源）運(yùn)動時(shí)，v0取負(fù)

號. 當(dāng)波源朝觀察者運(yùn)動時(shí)vs前面取負(fù)號；前波源背離觀察者運(yùn)動時(shí)vs取正號. 從上式易知，當(dāng)觀察者與聲源相互

靠近時(shí)，ｆ1＞ｆ ；當(dāng)觀察者與聲源相互遠(yuǎn)離時(shí)。ｆ１＜ｆ



　　二、光波的多普勒效應(yīng)

　　具有波動性的光也會出現(xiàn)這種效應(yīng)，它又被稱為多普勒-斐索效應(yīng). 因?yàn)榉▏�物理學(xué)家斐索（1819-1896）于

1848年獨(dú)立地對來自恒星的波長偏移做了解釋，指出了利用這種效應(yīng)測量恒星相對速度的辦法.光波與聲波的不同之

處在于，光波頻率的變化使人感覺到是顏色的變化. 如果恒星遠(yuǎn)離我們而去，則光的譜線就向紅光方向移動，稱為

紅移；如果恒星朝向我們運(yùn)動，光的譜線就向紫光方向移動，稱為藍(lán)移.

　　三、光的多普勒效應(yīng)的應(yīng)用

　　20世紀(jì)20年代，美國天文學(xué)家斯萊弗在研究遠(yuǎn)處的旋渦星云發(fā)出的光譜時(shí)，首先發(fā)現(xiàn)了光譜的紅移，認(rèn)識到了

旋渦星云正快速遠(yuǎn)離地球而去.1929年哈勃根據(jù)光普紅移總結(jié)出著名的哈勃定律：星系的遠(yuǎn)離速度v與距地球的距離

r成正比，即v=Hr,H為哈勃常數(shù).根據(jù)哈勃定律和后來更多天體紅移的測定，人們相信宇宙在長時(shí)間內(nèi)一直在膨脹，

物質(zhì)密度一直在變小. 由此推知，宇宙結(jié)構(gòu)在某一時(shí)刻前是不存在的，它只能是演化的產(chǎn)物. 因而1948年伽莫夫（

G. Gamow）和他的同事們提出大爆炸宇宙模型. 20世紀(jì)60年代以來，大爆炸宇宙模型逐漸被廣泛接受，以致被天文

學(xué)家稱為宇宙的"標(biāo)準(zhǔn)模型" .

　　多普勒-斐索效應(yīng)使人們對距地球任意遠(yuǎn)的天體的運(yùn)動的研究成為可能，這只要分析一下接收到的光的頻譜就行

了. 1868年，英國天文學(xué)家W. 哈金斯用這種辦法測量了天狼星的視向速度（即物體遠(yuǎn)離我們而去的速度），得出了

46 km/s的速度值 .