ДОПЛЕРА ЭФФЕКТ

ДОПЛЕРА ЭФФЕКТ , изменение частоты
колебаний или длины волн, воспринимаемых наблюдателем (приёмником колебаний),
вследствие движения источника волн и наблюдателя относительно друг друга.
Д. э. имеет место при любом волновом процессе распространения энергии.
Осн. причина Д. э. - изменение числа волн, укладывающихся на пути распространения
между источником и приёмником. При сохранении длины волн, испускаемых источником,
это приводит к изменению числа волн, достигающих приёмника в каждую секунду,
т. е. к изменению частоты принимаемых колебаний.

Для упругих волн (звуковых, сейсмических)
и в общем случае для электромагнитных волн (света, радиоволн) изменение
частоты зависит от скорости и направления движения источника и наблюдателя
относительно среды, в к-рой распространяется волна. Особый случай составляет
распространение электромагнитных волн в свободном пространстве (вакууме).
В
этом случае изменение частоты определяется только скоростью и направлением
движения источника и наблюдателя относительно друг друга, что является
следствием принципа относительности Эйнштейна (см. Относительности теория).

Д. э. для звуковых волн может наблюдаться
непосредственно. Он проявляется в повышении тона звука, когда источник
звука и наблюдатель сближаются (за 1 сек наблюдатель воспринимает
большее число волн), и соответственно в понижении тона звука, когда они
удаляются.

Рассмотрим Д. э. для монохроматич. электромагнитных
волн, распространяющихся в свободном пространстве. Если источник неподвижен
относительно наблю-.дателя, то в системе отсчёта, связанной с наблюдателем,
волна имеет ту же длину Хо = C/v(с
-скорость света в вакууме, vЕсли источник равномерно движется относительно наблюдателя со скоростью
v, направленной под углом а к наблюдаемому лучу, то в системе наблюдателя
длина волны изменится. Вдоль наблюдаемого луча изменение длины волны равно
приращению расстояния за время 1/v

В формуле (1) X- длина принимаемой
волны, Х

В = v/c. Множитель КОРЕНЬ( 1 - В²
) учитывает замедление времени в системе движущегося источника, в результате
к-рого измеренное значение частоты vв системе наблюдателя оказывается ниже, чем в системе источника v(в этом сказывается различие течения времени в системах движущегося источника
и наблюдателя - эффект спец. теории относительности). Уравнение (1) позволяет
найти частоту колебаний, воспринимаемых наблюдателем .

При движении источника к наблюдателю (а
= 0, cos a = 1) или от наблюдателя (а = л, cos a = -1) имеет
место продольный Д. э.:

При сближении источника и наблюдателя частота
v принимаемых колебаний возрастает, при удалении - убывает. Продольный
Д.э. даёт максимально возможное изменение частоты при данной скорости.

Если источник движется вокруг наблюдателя
по окружности [в формуле (2) a = ±п/2, cos a=0], то и в этом
случае воспринимаемая частота отличается от излучаемой

хотя число длин волн, укладывающихся на
пути распространения, остаётся неизменным. Формула (4) определяет поперечный
Д. э., обусловленный разным ходом времени в системах источника и наблюдателя.
Поперечный Д. э. является эффектом второго порядка малости относительно
v/c
и
наблюдать его значительно труднее, чем продольный. В случае сравнения частот
в одной системе отсчёта, как, напр., при радиолокации, поперечный Д. э.
отсутствует.

В тех случаях, когда показатель преломления
п
среды,
в к-рой движется источник, отличается от 1 и зависит от частоты, значение
воспринимаемой частоты соответствует решению уравнения

где п (у) - показатель преломления,
зависящий от частоты v. В области частот, где эта зависимость выражена
очень резко (см. Дисперсия волн), уравнение (5) может иметь неск.
решений (сложный Д. э.).

В среде с изменяющимся во времени показателем
преломления Д. э. возникает и при неподвижных друг относительно друга источнике
и приёмнике. Подобное явление может иметь место при космич. связи, когда
радиолуч проходит через ионосферу Земли с переменным показателем
преломления.

Понятие Д. э. обобщается и на изменение
частоты электромагнитного излучения в гравитационном поле (эффект теории
тяготения Эйнштейна). Напр., нек-рая линия солнечного спектра с частотой
Vo будет наблюдаться на Земле как линия с частотой

где ф1 и ф2 - гравитационные потенциалы
Солнца
и Земли (ф1 и ф2<0). При наблюдении на Земле излучения Солнца и звёзд
линии смещаются под действием гравитации в область более низких частот,
Т. К. |ф1| > |ф2|.

Д. э. наяван в честь австр. физика К. Доплера,
обосновавшего
теоретически (1842) этот эффект в акустике и оптике. Рус. физик В. А. Михельсон
распространил его на случай среды с переменными параметрами (1899). Существование
поперечного Д. э. было экспериментально подтверждено амер. физиками Г.
Айвсом и Д. Стилуэллом (1938).

С момента открытия Д. э. используется для
определения лучевых скоростей звёзд и вращения небесных тел. Изучение
доплеровского смещения линий в спектрах удалённых галактик привело к представлению
о расширении Метагалактики (см. Красное смещение, Космология). По
доплеровскому уширению спектральных линий в оптическом и радиодиапазонах
методами спектроскопии определяются тепловые скорости атомов и ионов
в звёздных атмосферах и межзвёздном газе, изучается структура внегалактич.
радиоисточников. В радиолокации и гидролокации Д. э. служит для определения
скорости движения цели. Д. э. используется также в космич. навигации. В
радиолокационной астрономии с помощью Д. э. разделяют отражения от участков
поверхности небесного тела с различными лучевыми скоростями.

Лит.: Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М.,
Теория поля, М., 1967 (Теоретическая физика, т. 2); Ландсберг Г. С., Оптика,
4 изд., М., 1957 (Общий курс физики, т. 3); франк И. М., Эффект Доплера
в преломляющей среде, "Изв. АН СССР. Серия физическая", 1942, № 1 - 2;
Сколник М., Введение в технику радиолокационных систем, пер. с англ., М.,
1965.

О. Я. Ржига.

А Б В Г Д Е Ё Ж З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Ъ Ы Ь Э Ю Я