Что такое эффект доплера и красное смещение
Перейти к содержимому

Что такое эффект доплера и красное смещение

  • автор:

38. Поясните термин «красное смещение». Что такое «эффект Доплера»?

Красное смещение — сдвиг спектральных линий химических элементов в красную (длинноволновую) сторону. Это явление может быть выражением эффекта Доплера или гравитационного красного смещения, или их комбинацией. Сдвиг спектральных линий в фиолетовую (коротковолновую) сторону называется синим смещением.

В обоих случаях (Доплеровского эффекта или эффектов ОТО) параметр смещения определяется как , где и — значения длины волны в точках испускания (emit) и наблюдения (observe) излучения соответственно.

Эффе́кт До́плера — изменение частоты и длины волн, регистрируемых приёмником, вызванное движением их источника и/или движением приёмника. Его легко наблюдать на практике, когда мимо наблюдателя проезжает машина с включённой сиреной. Предположим, сирена выдаёт какой-то определённый тон, и он не меняется. Когда машина не движется относительно наблюдателя, тогда он слышит именно тот тон, который издаёт сирена. Но если машина будет приближаться к наблюдателю, то частота звуковых волн увеличится (а длина уменьшится), и наблюдатель услышит более высокий тон, чем на самом деле издаёт сирена. В тот момент, когда машина будет проезжать мимо наблюдателя, он услышит тот самый тон, который на самом деле издаёт сирена. А когда машина проедет дальше и будет уже отдаляться, а не приближаться, то наблюдатель услышит более низкий тон, вследствие меньшей частоты (и, соответственно, большей длины) звуковых волн.

39. Запишите и объясните закон Хаббла.

Математически закон Хаббла записывается следующим образом:

где V – линейная скорость галактики, км/с, r – расстояние до нее, измеряемое в мегапарсеках (Мпк). Н – постоянная Хаббла. По современным данным 50 < H <100 км/(с×Мпк).

Из закона Хаббла следует, что, чем дальше галактики находятся друг от друга, тем с большей скоростью они разбегаются. Следует заметить, что для близких и очень далеких галактик закон Хаббла неточен. Главное следствие из закона Хаббла, что Вселенная расширяется.

40.Эволюционный путь звезды

Источники энергии звезд — гравитационное сжатие и термоядерный синтез.

Эволюционный путь звезды зависит от массы этой звезды.

При массе звезды менее 1,4 массы Солнца процесс сжатия звезды протекает спокойно и звезда переходит в состояние белого карлика. По мере остывания она меняет цвет от белого к желтому, затем к красному и перестает светить, превращаясь в черный карлик.

При массе звезды 1,4<m<3 происходит гравитационное сжатие в состояние черной дыры. Развитие происходит скачкообразно. Она коллапсирует до размеров нейтронной звезды.

При массе звезды >3 массы Солнца звезда коллапсирует ( катастрофически сжимается в состояние черной дыры).

41. В чем заключаются концепции развития геосферных оболочек?

Геосфе́ры (от греч. гео — Земля, сфера — шар) — географические концентрические оболочки (сплошные или прерывистые), из которых состоит планета Земля [1] .

Выделяются следующие геосферы: атмосфера, гидросфера, литосфера, земная кора, мантия и ядро Земли. Ядро Земли делится на внешнее ядро (жидкое) и центральное — субъядро (твёрдое).

Существует выражение – земная твердь. Оно выражает мнение большинства людей о том, что Земля нечто основательное. На самом деле Землю можно приравнять к живому организму, так как она находится в постоянном внешнем и внутреннем движении, перемещении и количественном и качественном изменении отдельных частей.Частично эти процессы определяются энергетикой поверхности Земли, которая представляет собой тепловую машину: ее «нагреватель» – Солнце, «холодильник» – безвоздушное пространство, «рабочая жидкость» состоит из атмосферы и гидросферы. Изменения в поступающей солнечной радиации определяют сезоны года и температурные различия между экватором и полюсами. Для сохранения энергетического баланса Земли происходит перенос тепла в направлении полюсов. Результатом переноса тепла являются течения в атмосфере и океанах, возникающие вследствие различного нагревания земной поверхности. Солнечная энергия, частично поглощаясь внешними геосферными оболочками, в основном отражается ими же в космос. Прогревание Солнцем распространяется на глубину, не превышающую 28-30 м. Значит, основу энергетики Земли составляют ее собственные процессы. происходит перемещение и химическое изменение вещества в глубинах Земли. С некоторым приближением Землю можно представить в виде закипающего супа, твердые части (мясо – ядро), восходящие и нисходящие потоки жидкости (обмен между внутренними геосферными оболочками), плавающие на поверхности масляные пятна (литосферные плиты), пар (атмосфера), внешняя среда (космос). При этом в кастрюле происходят и химические процессы.

Эффект Доплера для чайников: суть явления, применение, формула

физика эффект доплера

Эффект Доплера – важнейшее явление в физике волн. Прежде чем перейти напрямую к сути вопроса, немного вводной теории.

Колебание – в той или иной степени повторяющийся процесс изменения состояния системы около положения равновесия. Волна — это колебание, которое способно удаляться от места своего возникновения, распространяясь в среде. Волны характеризуются амплитудой, длиной и частотой. Звук, который мы слышим — это волна, т.е. механические колебания частиц воздуха, распространяющиеся от источника звука.

Вооружившись сведениями о волнах, перейдем к эффекту Доплера. А если хотите узнать больше о колебаниях, волнах и резонансе — добро пожаловать в отдельную статью нашего блога.

Суть эффекта Доплера

Самый популярный и простой пример, объясняющий суть эффекта Доплера – неподвижный наблюдатель и машина с сиреной. Допустим, вы стоите на остановке. К вам по улице движется карета скорой помощи со включенной сиреной. Частота звука, которую вы будете слышать по мере приближения машины, не одинакова.

Сначала звук будет более высокой частоты, когда машина поравняется с остановкой. Вы услышите истинную частоту звука сирены, а по мере удаления частота звука будет понижаться. Это и есть эффект Доплера.

Эффект Доплера

Частота и длина волны излучения, воспринимаемого наблюдателем, изменяется вследствие движения источника излучения.

Если у Кэпа спросят, кто открыл эффект Доплера, он не задумываясь ответит, что это сделал Доплер. И будет прав. Данное явление, теоретически обоснованное в 1842 году австрийским физиком Кристианом Доплером, было впоследствии названо его именем. Сам Доплер вывел свою теорию, наблюдая за кругами на воде и предположив, что наблюдения можно обобщить для всех волн. Экспериментально подтвердить эффект Доплера для звука и света удалось позднее.

Выше мы рассмотрели пример Эффект Доплера для звуковых волн. Однако эффект Доплера справедлив не только для звука. Различают:

  • Акустический эффект Доплера;
  • Оптический эффект Доплера;
  • Эффект Доплера для электромагнитных волн;
  • Релятивистский эффект Доплера.

Именно эксперименты со звуковыми волнами помогли дать первое экспериментальное подтверждение этому эффекту.

Экспериментальное подтверждение эффекта Доплера

Подтверждением правильности рассуждений Кристиана Доплера связано с одним из интересных и необычных физических экспериментов. В 1845 году метеоролог из Голландии Христиан Баллот взял мощный локомотив и оркестр, состоящий из музыкантов с абсолютным слухом. Часть музыкантов – это были трубачи – ехали на открытой площадке поезда и постоянно тянули одну и ту же ноту. Допустим, это была ля второй октавы.

Другие музыканты находились на станции и слушали, что играют их коллеги. Абсолютный слух всех участников эксперимента сводил вероятность ошибки к минимуму. Эксперимент длился два дня, все устали, было сожжено много угля, но результаты того стоили. Оказалось, что высота звука действительно зависит от относительной скорости источника или наблюдателя (слушателя).

Первые эксперименты по подтверждению эффекта Доплера

Первые эксперименты по подтверждению эффекта Доплера

Применение эффекта Доплера

Одно из наиболее широко известных применений – определение скорости движения объектов при помощи датчиков скорости. Радиосигналы, посылаемые радаром, отражаются от машин и возвращаются обратно. При этом, смещение частоты, с которой сигналы возвращаются, имеет непосредственную связь со скоростью машины. Сопоставляя скорость и изменение частоты, можно вычислять скорость.

Эффект Доплера широко применяется в медицине. На нем основано действие приборов ультразвуковой диагностики. Существует отдельная методика в УЗИ, называемая доплерографией.

Эффект Доплера также используют в оптике, акустике, радиоэлектронике, астрономии, радиолокации.

Кстати! Для наших читателей сейчас действует скидка 10% на любой вид работы

Открытие эффекта Доплера сыграло важную роль в ходе становления современной физики. Одно из подтверждений теории Большого взрыва основывается на этом эффекте. Как связаны эффект Доплера и Большой взрыв? Согласно теории Большого взрыва, Вселенная расширяется.

При наблюдении удаленных галактик наблюдается красное смещение – сдвиг спектральных линий в красную сторону спектра. Объясняя красное смещение при помощи эффекта Доплера, можно сделать вывод, согласующийся с теорией: галактики удаляются друг от друга, Вселенная расширяется.

Красное и синее смещение при приближении и отдалении объектов

Красное и синее смещение при приближении и отдалении объектов

Формула для эффекта Доплера

Когда теорию эффекта Доплера подвергали критике, одним из аргументов оппонентов ученого был факт, что теория помещалась всего на восьми листах, а вывод формулы эффекта Доплера не содержал громоздких математических выкладок. На наш взгляд, это только плюс!

Пусть u – скорость приемника относительно среды, v – скорость источника волн относительно среды, с — скорость распространения волн в среде, w0 — частота волн источника. Тогда формула эффекта Доплера в самом общем случае будет выглядеть так:

эффект доплера вывод формулы

Здесь w – частота, которую будет фиксировать приемник.

Релятивистский эффект Доплера

В отличие от классического эффекта Доплера при распространении электромагнитных волн в вакууме для расчета эффекта Доплера следует применять СТО и учитывать релятивистское замедление времени. Пусть света – с, v – скорость источника относительно приемника, тета – угол между направлением на источник и вектором скорости, связанным с системой отсчета приемника. Тогда формула для релятивистского эффекта Доплера будет иметь вид:

эффект доплера вывод формулы

Сегодня мы рассказали о важнейшем эффекте нашего мира – эффекте Доплера. Хотите научиться решать задачи на эффект Доплера быстро и легко? Спросите у специалистов студенческого сервиса, и они охотно поделятся своим опытом! А в конце — еще немного про теорию Большого взрыва и эффект Доплера.

Красное смещение

Идеи, Концепции, учения, методы исследования

Кра́сное смеще́ние, увеличение длин волн (уменьшение частот ) электромагнитного излучения источника, проявляющееся в сдвиге спектральных линий или других деталей спектра в сторону красного (длинноволнового) конца спектра. Оценку красного смещения обычно производят, измеряя смещение положения линий в спектре наблюдаемого объекта относительно спектральных линий эталонного источника с известными длинами волн. Количественно красное смещение z z z определяется величиной относительного увеличения длин волн:

Доплеровское красное смещение

Красное смещение спектральных линий, обусловленное эффектом Доплера , наблюдается, когда источник излучения удаляется от наблюдателя. При скоростях, много меньших скорости света, z ⁣ ≪ ⁣ 1 z\!\ll\!1 z ≪ 1 и скорость удаления v = c z v=cz v = cz (где c c c – скорость света ). Если расстояние до источника сокращается, то возникает смещение противоположного знака (т. н. фиолетовое смещение). В спектрах объектов нашей Галактики наблюдаются как красные, так и фиолетовые смещения. За очень редким исключением они не превышают z = 1 0 − 3 z=10^ <-3>z = 1 0 − 3 . В случае больших скоростей движения, сопоставимых со скоростью света, красное смещение требует учёта релятивистских эффектов . В общем случае величина красного смещения z z z связана со скоростью источника относительно наблюдателя v v v соотношением

​ 1 + c v ​ cos θ ​ − 1 , ( 1 ) где θ \theta θ – угол между направлением на источник и вектором скорости в системе отсчёта наблюдателя. Если источник радиально удаляется от наблюдателя, то θ = 0 θ=0 θ = 0 , если приближается, то θ = π θ=\pi θ = π . В этих случаях при v ⁣ ≪ ⁣ c v\!\ll\!c v ≪ c формула переходит в выражение z = v / c z=v/c z = v / c , где скорость v v v считается положительной, если она направлена от наблюдателя. Из формулы (1) следует, что красное смещение будет иметь место не только при изменении расстояния до источника, но даже если скорость источника направлена поперёк луча зрения, когда θ = π / 2 θ= \pi /2 θ = π /2 (поперечный эффект Доплера). В рамках специальной теории относительности этот эффект является результатом замедления времени в системе отсчёта, связанной с движущимся источником, по отношению к системе отсчёта, связанной с наблюдателем. Поперечный эффект Доплера подтверждён экспериментально. В астрономии яркий пример этого эффекта демонстрирует тесная двойная звёздная система SS 433 , в которой наблюдаются две вращающиеся струи газа ( релятивистские джеты ), вылетающие в противоположных направлениях со скоростями около 80 тыс. км/с. Анализ спектров струй показывает, что, даже когда направление движения газа в них оказывается перпендикулярным лучу зрения и «классический» эффект Доплера должен отсутствовать, красное смещение в спектре струй не равно нулю, а составляет величину, соответствующую доплеровской скорости около 12 тыс. км/с.

Космологическое красное смещение

Особым случаем красного смещения является космологическое красное смещение, наблюдаемое в спектрах галактик и их систем. Впервые космологическое красное смещение было обнаружено в 1912–1914 гг. В. Слайфером , обратившим внимание на то, что линии в спектрах, полученных в то время для небольшого числа галактик, чаще всего смещены в сторону более длинных волн, т. е. галактики удаляются от нас. Красное смещение в спектрах далёких галактик возникает вследствие увеличения расстояний между ними, обусловленного расширением Вселенной . В среднем его значение линейно растёт с расстоянием до наблюдаемой галактики ( закон Хаббла ): во сколько раз дальше галактика, во столько раз больше её красное смещение. Расширение Вселенной удобно описывать растущей со временем функцией a ( t ) a(t) a ( t ) , которая называется масштабным фактором . Она представляет собой масштабный множитель, пропорционально которому меняются расстояния между удаляющимися друг от друга далёкими галактиками. Тогда космологическое красное смещение равно

Закон Хаббла широко используется для оценки расстояния до галактик и их систем, однако этот закон не выполняется строго, поскольку на общую картину расширения Вселенной накладываются собственные скорости галактик, достигающие (в скоплениях галактик) тысячи и более км/с.

Поскольку для очень далёких и поэтому тусклых объектов очень сложно получить спектр и измерить длины волн отдельных линий, в оптической области спектра наряду со спектральным методом оценки красного смещения используется фотометрический метод, в котором интенсивность излучения слабого источника измеряется в разных интервалах длин волн с применением специально подобранных светофильтров. Найденные таким образом красные смещения называются фотометрическими.

Гравитационное красное смещение

Ещё один тип красного смещения – гравитационное красное смещение. Оно возникает, когда приёмник света находится в области с меньшим гравитационным потенциалом φ φ φ , чем источник. В рамках общей теории относительности гравитационное красное смещение возникает вследствие замедления течения времени (и, как следствие, замедления колебаний в электромагнитной волне) вблизи массивных тел, т. е. в областях с более низким гравитационным потенциалом по отношению к наблюдателю. Альтернативная интерпретация этого эффекта заключается в том, что фотоны теряют часть своей энергии на преодоление сил гравитации при движении из области с более низким гравитационным потенциалом в область с более высоким. В результате частота, характеризующая энергию фотона, уменьшается, а длина волны соответственно возрастает.

​ 1 ​ − 1. Гравитационное красное смещение наблюдается в спектрах плотных звёзд ( белых карликов ), для которых z g ≤ 1 0 − 3 z_g \leq10^ <-3>z g ​ ≤ 1 0 − 3 . Впервые гравитационное красное смещение было измерено в спектре белого карлика Сириус B в 1925 г. (У. Aдамс, США). Позднее оценка для этой звезды была уточнена: z g ≈ 2 , ⁣ 7 ⋅ 1 0 − 4 z_g\approx2,\!7\cdot10^ <-4>z g ​ ≈ 2 , 7 ⋅ 1 0 − 4 , что эквивалентно доплеровскому смещению при скорости около 80 км/с. Для Солнца гравитационное красное смещение примерно в сто раз меньше, тем не менее его также удалось измерить. Наиболее сильным гравитационным красным смещением обладает излучение внутренних областей аккреционных дисков вокруг чёрных дыр . Теоретически красное смещение стремится к бесконечности по мере приближения к горизонту событий чёрной дыры. В физическом эксперименте существование гравитационного красного смещения впервые подтверждено в 1960 г. с использованием эффекта поглощения гамма-квантов атомными ядрами ( эффект Мёссбауэра ).

Эффект Доплера

Воспринимаемая частота волны зависит от относительной скорости ее источника.

Вам, наверняка, хоть раз в жизни доводилось стоять у дороги, по которой проносится машина со спецсигналом и включенной сиреной. Пока вой сирены приближается, его тон выше, затем, когда машина поравняется с вами, он понижается, и, наконец, когда машина начинает удаляться, он понижается еще, и получается знакомое: ййййииииээээЭААААОоооуууумммм — такой примерно звукоряд. Сами того, возможно, не сознавая, вы при этом наблюдаете фундаментальнейшее (и полезнейшее) свойство волн.

Волны — вообще вещь странная. Представьте себе пустую бутылку, болтающуюся неподалеку от берега. Она гуляет вверх-вниз, к берегу не приближаясь, в то время как вода, казалось бы, волнами набегает на берег. Но нет — вода (и бутылка в ней) — остаются на месте, колеблясь лишь в плоскости, перпендикулярной поверхности водоема. Иными словами, движение среды, в которой распространяются волны, не соответствует движению самих волн. По крайней мере, футбольные болельщики хорошо это усвоили и научились использовать на практике: пуская «волну» по стадиону, они сами никуда не бегут, просто встают и садятся в свой черед, а «волна» (в Великобритании это явление принято называть «мексиканской волной») бежит вокруг трибун.

Волны принято описывать их частотой (число волновых пиков в секунду в точке наблюдения) или длиной (расстояние между двумя соседними гребнями или впадинами). Эти две характеристики связаны между собой через скорость распространения волны в среде, поэтому, зная скорость распространения волны и одну из главных волновых характеристик, можно легко рассчитать другую.

Как только волна пошла, скорость ее распространения определяется только свойствами среды, в которой она распространяется, — источник же волны никакой роли больше не играет. По поверхности воды, например, волны, возбудившись, далее распространяются лишь в силу взаимодействия сил давления, поверхностного натяжения и гравитации. Акустические же волны распространяются в воздухе (и иных звукопроводящих средах) в силу направленной передачи перепада давлений. И ни один из механизмов распространения волн не зависит от источника волны. Отсюда и эффект Доплера.

Давайте еще раз задумаемся над примером с воющей сиреной. Предположим для начала, что спецмашина стоит. Звук от сирены доходит до нас потому, что упругая мембрана внутри нее периодически воздействует на воздух, создавая в нем сжатия — области повышенного давления, — чередующиеся с разрежениями. Пики сжатия — «гребни» акустической волны — распространяются в среде (воздухе), пока не достигнут наших ушей и не воздействуют на барабанные перепонки, от которых поступит сигнал в наш головной мозг (именно так устроен слух). Частоту воспринимаемых нами звуковых колебаний мы по традиции называем тоном или высотой звука: например, частота колебаний 440 герц в секунду соответствует ноте «ля» первой октавы. Так вот, пока спецмашина стоит, мы так и будем слышать неизмененный тон ее сигнала.

Но как только спецмашина тронется с места в вашу сторону, добавится новый эффект. За время с момента испускания одного пика волны до следующего машина проедет некоторое расстояние по направлению к вам. Из-за этого источник каждого следующего пика волны будет ближе. В результате волны будут достигать ваших ушей чаще, чем это было, пока машина стояла неподвижно, и высота звука, который вы воспринимаете, увеличится. И, наоборот, если спецмашина тронется в обратном направлении, пики акустических волн будут достигать ваших ушей реже, и воспринимаемая частота звука понизится. Вот и объяснение тому, почему при проезде машины со спецсигналами мимо вас тон сирены понижается.

Мы рассмотрели эффект Доплера применительно к звуковым волнам, но он в равной мере относится и к любым другим. Если источник видимого света приближается к нам, длина видимой нами волны укорачивается, и мы наблюдаем так называемое фиолетовое смещение (из всех видимых цветов гаммы светового спектра фиолетовому соответствуют самые короткие длины волн). Если же источник удаляется, происходит кажущееся смещение в сторону красной части спектра (удлинение волн).

Этот эффект назван в честь Кристиана Иоганна Доплера, впервые предсказавшего его теоретически. Эффект Доплера меня на всю жизнь заинтересовал благодаря тому, как именно он был впервые проверен экспериментально. Голландский ученый Кристиан Баллот (Christian Buys Ballot, 1817–1870) посадил духовой оркестр в открытый железнодорожный вагон, а на платформе собрал группу музыкантов с абсолютным слухом. (Идеальным слухом называется умение, выслушав ноту, точно назвать её.). Всякий раз, когда состав с музыкальным вагоном проезжал мимо платформы, духовой оркестр тянул какую-либо ноту, а наблюдатели (слушатели) записывали слышащуюся им нотную партитуру. Как и ожидалось, кажущаяся высота звука оказалась в прямой зависимости от скорости поезда, что, собственно, и предсказывалось законом Доплера.

Эффект Доплера находит широкое применение и в науке, и в быту. Во всем мире он используется в полицейских радарах, позволяющих отлавливать и штрафовать нарушителей правил дорожного движения, превышающих скорость. Пистолет-радар излучает радиоволновой сигнал (обычно в диапазоне УКВ или СВЧ), который отражается от металлического кузова вашей машины. Обратно на радар сигнал поступает уже с доплеровским смещением частоты, величина которого зависит от скорости машины. Сопоставляя частоты исходящего и входящего сигнала, прибор автоматически вычисляет скорость вашей машины и выводит ее на экран.

Несколько более эзотерическое применение эффект Доплера нашел в астрофизике: в частности, Эдвин Хаббл, впервые измеряя расстояния до ближайших галактик на новейшем телескопе, одновременно обнаружил в спектре их атомного излучения красное доплеровское смещение, из чего был сделан вывод, что галактики удаляются от нас (см. Закон Хаббла). По сути, это был столь же однозначный вывод, как если бы вы, закрыв глаза, вдруг услышали, что тон звука двигателя машины знакомой вам модели оказался ниже, чем нужно, и сделали вывод, что машина от вас удаляется. Когда же Хаббл обнаружил к тому же, что чем дальше галактика, тем сильнее красное смещение (и тем быстрее она от нас улетает), оно понял, что Вселенная расширяется. Это стало первым шагом на пути к теории Большого взрыва — а это вещь куда более серьезная, чем поезд с духовым оркестром.

Кристиан Иоганн ДОПЛЕР

Австрийский физик. Родился в Зальцбурге в семье каменщика. Окончил Политехнический институт в Вене, остался в нем на младших преподавательских должностях до 1835 года, когда получил предложение возглавить кафедру математики Пражского университета, что в последний момент заставило его отказаться от назревшего решения эмигрировать в Америку, отчаявшись добиться признания в академических кругах на родине. Закончил свою карьеру в должности профессора Венского королевского имперского университета.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *