多普勒效应

　　当你站在公路旁,留意一辆快速行驶汽车的引擎声音,你会发现在它向你行驶时声音的音调会变高（即频率变高）,在它离你而去时音调会变得低些（即频率变低）.这种现象叫做多普勒效应.在光现象里同样存在多普勒效应,当光源向你快速运动时,光的频率也会增加,表现为光的颜色向蓝光方向偏移（因为在可见光里,蓝光的频率高）,即光谱出现蓝移；而当光源快速离你而去时,光的频率会减小,表现为光的颜色会向红光方向偏移（因为在可见光里,红光的频率低）,即光谱出现红移.

　　在进一步研究多谱勒效应之前,先让我们了解一下有关波的基本知识：

　　如果我们将一个小石块投入平静的水面,水面上会产生阵阵涟漪,并不断地向前传播.这时波源处的水面每振动一次,水面上就会产生一个新的波列.

　　设波源的振动周期为T,即波源每隔时间T振动一次,则水面上两个相邻波列之间的距离就为VT,其中V是波在水中的传播速度.在物理学中我们把这一相邻波列之间的距离称为波长,用符号λ表示.这样,波的波长、波速及振动周期三者的关系就可表示为：λ=VT（1）

　　由于波源振动一次所需的时间为T,则波源在单位时间内振动的次数就为1/T.物理学上,把波源在单位时间内振动的次数称为波的频率,用f表示.这样,它和周期的关系就可表示为f=1/T,或T=1/f（2）

　　综合（1）式和（2）式可得：λ=VT=V/f（3）

　　此式是我们讨论与波有关问题的基本公式,虽然是对水波的传播总结出来的,但它对一切波都适用.

　　实验研究表明：对于确定的介质,波的传播速度V是一个定值.所以,当波在某一确定的介质中传播时,它的波长λ与它的周期成正比（与频率成反比）.即波的频率越高,周期越小,其波长越短；反之,波的频率越低,周期越大,其波长越长.

　　对声波而言,声音的频率决定着声音的音调.即声波的频率越高,声波的音调也越高,声音也越尖、越细,甚至越刺耳.根据上述的结论,产生高音的声源振动较慢,振动周期长,对应声波的波长也较长.例如：10000Hz的声波的波长是100Hz声波波长的1/100.

　　而在可见光中,光波的频率决定着色光的颜色.频率由低到高依次对应红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫.其中红光频率最低,波长最长；紫光的频率最高,但波长最短.

　　下面我们就结合以上的背景知识一起来探究一下有关光的多谱勒效应：

　　假设有个光源每隔时间T发出一个波列,即光源的周期为T.如图,当它静止时相邻两个波列时间间隔为T,距离间隔为λ=cT

　　式中c表示光速.

　　当光源以速度V离开观察者时,在每两个相邻的波列之间的时间里光源移动的距离为VT,于是下一个波峰到达观察者所需的时间便增加了VT/c,所以,相邻的两个波峰到达观察者那里所需的时间就为：

　　T’=T+VT/c>T

　　即这时相对于观察者而言,光波的周期变长了,频率变低了.根据上面关于频率于光色之间的关系可知,次光的颜色会向红光偏移.物理学上,把这一现象称为红移.

　　这时到达观察者那里的两个相邻的波列的距离,即波长就变为λ’=cT+VT

　　即波长变长了.这两个波长的比值为λ’/λ=T’/T=1+V/c

　　即波长增加了V/c,我们把这个相对增加量就成为红移量,它取决于光源的远离速度.由于一般情况下V