多普勒與多普勒效應(yīng)

劉毅 李紹林

在日常生活中，你是否會(huì)有這樣的發(fā)現(xiàn)：當(dāng)一輛警車(chē)或賽車(chē)從我們身旁呼嘯而過(guò)時(shí)，警車(chē)的警報(bào)聲和賽車(chē)的發(fā)動(dòng)機(jī)聲在靠近我們時(shí)越來(lái)越刺耳，而當(dāng)通過(guò)我們身旁的一剎那。音調(diào)突然變低了，隨著它們的遠(yuǎn)去，這些聲音逐漸變?nèi)?，直到消失，為什么?huì)發(fā)生這種現(xiàn)象呢？這種現(xiàn)象又是誰(shuí)最先發(fā)現(xiàn)的呢？

那是1842年的一天，奧地利數(shù)學(xué)家、物理學(xué)家多普勒帶著女兒在鐵道旁散步，一列火車(chē)從遠(yuǎn)處開(kāi)來(lái)，細(xì)心的多普勒突然注意到了這樣一個(gè)現(xiàn)象：火車(chē)在靠近他們時(shí)笛聲越來(lái)越刺耳，然而就在火車(chē)通過(guò)他們身旁的一剎那，笛聲音調(diào)突然變低了，隨著火車(chē)的遠(yuǎn)去。笛聲響度逐漸變?nèi)?，直到消失，這個(gè)平常的現(xiàn)象吸引了多普勒的注意，他思考：為什么笛聲音調(diào)會(huì)變化呢？他對(duì)這個(gè)物理現(xiàn)象產(chǎn)生了極大的興趣，并進(jìn)行了相關(guān)的研究。

多普勒是奧地利薩爾茨堡一名石匠的兒子，年輕的多普勒曾在維也納理工學(xué)院學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)。又在薩爾茨堡修讀哲學(xué)課，然后又回到維也納大學(xué)學(xué)習(xí)高級(jí)數(shù)學(xué)、天文學(xué)和力學(xué)，由于從小就接受到良好的教育，養(yǎng)成了他認(rèn)真觀察，勤于思考的好習(xí)慣，他仔細(xì)研究過(guò)火車(chē)事件后，注意到：當(dāng)觀察者與聲源相對(duì)靜止時(shí)，聲波的頻率沒(méi)有改變；當(dāng)聲源和觀察者有相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，觀察者接收到的聲波頻率就會(huì)發(fā)生變化，他的這一結(jié)論立即引起了許多人的質(zhì)疑和反對(duì)，反對(duì)者認(rèn)為，這不過(guò)是聽(tīng)者耳朵的一種錯(cuò)覺(jué)罷了，面對(duì)權(quán)威的反對(duì)，多普勒很想利用實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證，但在那個(gè)時(shí)代，根本沒(méi)有精密儀器能夠檢測(cè)出音調(diào)的變化，最后，聰明的多普勒終于想到了一個(gè)“笨”方法：請(qǐng)專業(yè)的樂(lè)手親耳辨別。

在一個(gè)陽(yáng)光明媚的早晨，多普勒請(qǐng)了一隊(duì)小號(hào)手在行駛的平板車(chē)上演奏，然后再請(qǐng)訓(xùn)練有素的音樂(lè)家用耳朵來(lái)辨別號(hào)手們逐漸走近又逐漸走遠(yuǎn)時(shí)聲音音調(diào)的變化，以驗(yàn)證該理論，結(jié)果這些音樂(lè)家用自己的耳朵聽(tīng)出了音調(diào)有相應(yīng)的變化，音樂(lè)家的結(jié)論讓多普勒欣喜異常，也讓他更加堅(jiān)信自己觀點(diǎn)的正確性。

但為什么會(huì)有這樣的現(xiàn)象呢？多普勒又進(jìn)行了相關(guān)的很多研究。

我們知道，音調(diào)是由發(fā)聲體振動(dòng)的頻率決定的，既然音調(diào)發(fā)生了變化，則一定是聲波的頻率改變了，經(jīng)過(guò)仔細(xì)分析，多普勒終于發(fā)現(xiàn)了這樣一個(gè)規(guī)律：聲波頻率在聲源移向觀察者時(shí)變高，而在聲源遠(yuǎn)離觀察者時(shí)變低，即，觀察者與聲源的相對(duì)運(yùn)動(dòng)改變了觀察者所接收到的聲波頻率，這種現(xiàn)象我們現(xiàn)在就稱之為多普勒效應(yīng)。

以汽車(chē)的運(yùn)動(dòng)來(lái)說(shuō)明，當(dāng)汽車(chē)以恒定速度駛近我們時(shí)，汽笛發(fā)出的聲波在傳播過(guò)程中好像被壓縮了，也就是聲波的波長(zhǎng)縮短了，因此在一定時(shí)間間隔內(nèi)我們接收到的汽笛聲的波數(shù)就增加了，這就是我們?yōu)槭裁磿?huì)感覺(jué)音調(diào)變高的原因，相反，當(dāng)汽車(chē)駛向遠(yuǎn)方時(shí)，聲波被拉伸了，聲波的波長(zhǎng)變長(zhǎng)，因此，聲音聽(tīng)起來(lái)就顯得低沉，如果把聲波視為有規(guī)律間隔發(fā)射的脈沖，可以想象，若你面向聲源每走一步，那么，在你面前的每一個(gè)脈沖都比你站立不動(dòng)時(shí)更接近你。

多普勒效應(yīng)現(xiàn)在已被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域中，例如，高速路上的測(cè)速儀，測(cè)速儀向行進(jìn)中的車(chē)輛發(fā)射頻率已知的電磁波，同時(shí)測(cè)量反射波的頻率，根據(jù)反射波頻率變化的多少就能知道車(chē)輛的速度了，醫(yī)學(xué)上用來(lái)診斷病情的彩超用到的也是多普勒效應(yīng)，多普勒效應(yīng)也適用于電磁波，著名的科學(xué)家愛(ài)德文，哈勃還根據(jù)多普勒效應(yīng)得出宇宙正在膨脹的結(jié)論。

責(zé)任編輯 蔡華杰