火車(chē)汽笛為什么變化?淺談多普勒效應

一、聲波的多普勒效應

　　在日常生活中，我們都會(huì )有這種經(jīng)驗：當一列鳴著(zhù)汽笛的火車(chē)經(jīng)過(guò)某觀(guān)察者時(shí)，他會(huì )發(fā)現火車(chē)汽笛的聲調由高

變低. 為什么會(huì )發(fā)生這種現象呢？這是因為聲調的高低是由聲波振動(dòng)頻率的不同決定的，如果頻率高，聲調聽(tīng)起來(lái)

就高；反之聲調聽(tīng)起來(lái)就低.這種現象稱(chēng)為多普勒效應，它是用發(fā)現者克里斯蒂安·多普勒（Christian

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

解這一現象，就需要考察火車(chē)以恒定速度駛近時(shí)，汽笛發(fā)出的聲波在傳播時(shí)的規律.其結果是聲波的波長(cháng)縮短，好象

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

當火車(chē)駛向遠方時(shí)，聲波的波長(cháng)變大，好象波被拉伸了. 因此，聲音聽(tīng)起來(lái)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(guān)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. 當觀(guān)察者朝波源運動(dòng)時(shí)，v0取正號；當觀(guān)察者背離波源（即順著(zhù)波源）運動(dòng)時(shí)，v0取負

號. 當波源朝觀(guān)察者運動(dòng)時(shí)vs前面取負號；前波源背離觀(guān)察者運動(dòng)時(shí)vs取正號. 從上式易知，當觀(guān)察者與聲源相互

靠近時(shí)，ｆ1＞ｆ ；當觀(guān)察者與聲源相互遠離時(shí)。ｆ１＜ｆ



　　二、光波的多普勒效應

　　具有波動(dòng)性的光也會(huì )出現這種效應，它又被稱(chēng)為多普勒-斐索效應. 因為法國物理學(xué)家斐索（1819-1896）于

1848年獨立地對來(lái)自恒星的波長(cháng)偏移做了解釋?zhuān)�指出了利用這種效應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(jué)到是顏色的變化. 如果恒星遠離我們而去，則光的譜線(xiàn)就向紅光方向移動(dòng)，稱(chēng)為

紅移；如果恒星朝向我們運動(dòng)，光的譜線(xiàn)就向紫光方向移動(dòng)，稱(chēng)為藍移.

　　三、光的多普勒效應的應用

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

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

r成正比，即v=Hr,H為哈勃常數.根據哈勃定律和后來(lái)更多天體紅移的測定，人們相信宇宙在長(cháng)時(shí)間內一直在膨脹，

物質(zhì)密度一直在變小. 由此推知，宇宙結構在某一時(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60年代以來(lái)，大爆炸宇宙模型逐漸被廣泛接受，以致被天文

學(xué)家稱(chēng)為宇宙的"標準模型" .

　　多普勒-斐索效應使人們對距地球任意遠的天體的運動(dòng)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（即物體遠離我們而去的速度），得出了

46 km/s的速度值 .