《多普勒效应1详解ppt课件.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《多普勒效应1详解ppt课件.ppt（44页珍藏版）》请在三一办公上搜索。
1、一、色散介质与非色散介质二、群速度,简谐波是一个无限长的波列，其振幅、频率、相位等都是不随时间和空间变化的常量。因此简谐波并不能够传递信息。,简谐波并不传递信息,群速度,载波是可传递信息,被调制的行波称为载波。,是表示从某一时刻开始到以后某一时刻结束的事件。,表示信息的波称为脉冲或波包。,信息：,前言,一、色散介质与非色散介质,某一频率的简谐波在介质中的波速 (相位传播的速度),平面谐波就是单一频率的波,相速与频率波长的关系,记做,1.相速,2.波的色散 色散介质色散 在某些介质中 不同频率的波有 不同的相速度 这种现象叫色散色散介质 色散与介质的特性相关 出现色散现象的介质叫色散介质; 无色
2、散现象出现的介质就是无色散介质; 真空是非色散介质; 某些均匀或各向异性的物质是色散介质,能举例吗？,色散可给您美的享受，知道形成的原因吗？,彩虹,二、群速度 假设我们讨论的实际波是由两列频率差别不大的沿同方向传播的S.H.W.叠加而成，由此简单情况介绍实际波在色散介质中传播时的速度群速度的概念。,两分波表达式为,下面以此特例推导群速度的一般定义式：,两分波线性叠加,它是表示波包的载波的速度，即相速。,实际波的波形是一个一个的小包，称为波包； 波包传播的速度叫群速度。,写成谐波形式,其中,相当于把S. H. W.的振幅进行了调制,包络线代表了Ag传播(反映了能量），即信号传播的速度(具有实际意
3、义)。这就是 群速度,令,全微分,群速度,一般定义式,9,多普勒效应,关于,波速 与介质和波的类型有关 而与波源无关,波一旦从振源发出就忘记了自己的来源 而以介质给定的特定速度在介质中传播,或换言之：,波的频率 介质中某点单位时间内振 动的次数波长 一个完整波在介质中沿波 线展开的长度,是介质中某点三量的关系,结论：关系式,12,7-8 多普勒效应,多普勒效应 (Doppler effect),当波源和观察者中之一，或两者以不同速度同时相对于介质运动时，观察者所观测到的波的频率将高于或低于波源的振动频率，这种现象称为多普勒效应。,当飞机迎面而来时，人们听到飞机的轰鸣声音调变高，即人耳接收到的声
4、波频率高于飞机发出的声波频率；背离而去时，人们听到的音调变低，即人耳接收到的声波频率低于飞机发出的声波频率。,13,设观察者和波源 在同一直线上运动,14,一、波源和观察者相对于介质静止,观察者所接收的频率取决于单位时间内接收到波长的个数,此时，波的频率即为波源的频率。,15,二、 波源相对于介质不动，观察者相对于介质运动,1. 观察者向波源运动,由此可见，观察者所接收的频率大于波源的频率,16,2. 观察者以Vo离开波源运动,由此可见，观察者所接收的频率小于波源的频率,总之，波源静止，观察者以速率Vo运动时,17,三、观察者不动，波源相对于介质运动,1. 波源向观察者运动,假定在t时刻，波源
5、处于S点处，经一个周期T后，波传播到D点，波源运动到C点。,18,由此看见，观察者所接收到的频率升高,2. 波源背离观察者运动,19,由此看见，观察者所接收到的频率降低,四、波源和观察者都相对于介质运动,即,波源运动等效于波长的变化,观察者运动等效于波速的变化,20,波源和观察者相向运动时， 前取正号， 前为负号；,波源和观察者相反运动时， 前取正号， 前为负号,频率改变的原因：在观察者运动的情况下，频率改变是由于观察者观测到的波数增加或减少；在波源运动的情况下，频率改变是由于波长的缩短或伸长。,注意：弹性波不存在横向多普勒效应。,如果垂直连线运动则,有相向分量有远离分量,机械波：只有纵向效应
6、,水波的多普勒效应（波源向左运动）,23,光波多普勒效应,根据相对性原理和光速不变原理推得,当光源和观察者以相对速度V沿两者的连线相互靠近,若相互远离，则 V 为负值,光波存在横向多普勒效应，当光源和观察者的相对速度V 垂直于它们的连线时,24,分子、原子或离子由于热运动而使它们发射或吸收的光谱线频率范围变宽，这称为谱线多普勒增宽。,当光源远离接收器时，接收到的频率变小，因而波长变长，这种现象叫做 “红移”。如将来自星球的和地面的同一元素的光谱比较，发现几乎都发生红移。红移是测定天体之间距离的一种常规方法，而运用这一方法的前提是承认宇宙大爆炸学说。,多普勒效应的应用：,1. 证明“大爆炸”宇宙
7、学理论的正确性,2. 证明分子热运动,25,3. 测定人造卫星的位置变化,美国霍普金斯大学利用多普勒效应对苏联第一颗人造卫星进行了跟踪试验，科学家发现，当卫星在近地点时信号频率就增加，远地点时信号频率就降低。因为卫星轨道是已知的，所以接收卫星信号的接收机不论处于何方，它的位置都能被测定。,26,4. 测量流体的流速,超声多普勒效应测血流速,5. 检查车速,警察用多普勒测速仪测速,28,例题1：静止不动的超声波探测器能发射频率为100 kHz的超声波。有一车辆迎面驶来，探测器接收到从车辆反射回的超声波频率为112 kHz。如果空气中的声速为340 ms1 ，试求车辆的行驶速度。,解：超声波传向车
8、辆时,超声波反射回探测器时,所以,解得,29,解：（1）波长的变化是由于波源的运动引起的,（2）反射面所接收的频率,30,马 赫 锥,31,钱学森在力学的许多领域都做过开创性工作。他在空气动力学方面取得很多研究成果，最突出的是提出了跨声速流动相似律，并与卡门一起，最早提出高超声速流的概念，为飞机在早期克服热障、声障，提供了理论依据，为空气动力学的发展奠定了重要的理论基础。,当物体（通常是航天器）运动速度到达声速之前,阻力出现一个非常突然的增加,过了声速以后,阻力又开始下降,逐渐趋向正常值,这种阻力在声速附近突然上升的现象就是所谓的”声障”现象。,声障,作起始脉冲和截止脉冲,高能带电粒子在介质中
9、的速度超过光在介质中,的速度时,将发生锥形的电磁波切连柯夫辐射,可用来探测高能带电粒子,脉冲重叠,也可用来,不易引起,已知信号声源：,例,求,(1) R直接从S接收到的信号频率1？,(2) R从反射面接收到的信号频率2？,(3) R接收到的拍频？,解,S远离R,(2) S发射，反射面接收（S靠近）,(3) 二波叠加,（同方向，不同频率）,拍频：,反射面反射信号时，频率不变,35,声波、超声波和次声波,36,*7-9 声波、超声波和次声波,频率高于20 000 Hz的波叫做超声波。,20到20 000 Hz之间能引起听觉的称为可闻声波，简称声波。,频率低于20 Hz的叫做次声波；,声波,一、声
10、波(sound wave),1. 声波在空气中的传播,固体中传播的声波既可以是纵波，也可以是横波，而在流体中传播的声波却只能是纵波。,37,声波的波函数为,根据流体的体变模量,把位移波转换成压强波有,把这一压强变化记为p，称为声压：,应变为,所以,取气层的厚度x无限缩小，上式可写为,所以,38,压强变化的振幅为,P = A k u2,所以,声波既可表示为位移波，也可表示为压强波，而两者之间存在/2的相位差。,39,2.声强(intensity of sound)和声强级(sound level),声强就是声波的能流密度，即单位时间内通过垂直于波线的单位面积的声波平均能流。,声强表达式,由此知声
11、波声强与振幅的平方、频率的平方成正比。,人的听觉存在一定的声强范围，下限称为听觉阈，上限称为痛觉阈。听觉阈和痛觉阈都与声波的频率有关。,40,引起人们听觉的声波，有一定的声强范围。大约为(1012 1)W/m2，声强太小，人耳听不见，太大会引起痛觉。,定义声强级L为：,(Bel ) 单位为贝尔,1 Bel=10 dB,(dB ) 单位为分贝,* 声强级,通常用声强级来描述声强的强弱。 规定声强： I0=10-12 W/m2 作为测定声强的标准。 （频率为1 000 Hz的声波能引起听觉的最弱声强）,声音的响度是人对声音的主观感觉。,如:树叶沙沙声约10 dB, 大炮的声强级约120 dB。有的
12、地方规定户外声音不得大于70分贝。,41,二、超声波(supersonic wave)和次声波,* 超声波：频率高，波长短，定向传播性好， 穿透性好，在液体、固体中传播时，衰减很小， 能量高等。,定位、测距、探伤、显象，随着激光全息的发展，声全息也日益发展，它在地质、医学等领域有重要的意义；,由于能量大而集中,可用来切削、焊接、钻孔、清洗机件，还可用来处理种子和催化。,特点,用途,超声波的传播速度对于介质的密度、浓度、成分、温度、压力的变化很敏感。利用这些可间接测量其他有关物理量。这种非声量的声测法具有测量精密度高、速度快的优点；,42,频率在10420 Hz之间的机械波，人耳听不到。,*次声
13、波(infrasonic wave),因为大气湍流、火山爆发、地震、陨石落地、雷暴、磁暴等大规模自然活动中，都有次声波产生，因此，它是研究地球、海洋、大气等大规模运动的有力的工具。,特点一,用途,由于它具有衰减极小的特点，具有远距离传播的突出特点。已形成现代声学的一个新的分支次声学。,特点二,43,本章基本要求,1. 熟练掌握简谐振动的基本特征、矢量图解法以及确定振动状态的三个特征量的物理意义；,2. 掌握在同一直线上的两个简谐振动合成的一般规律，特别是对于两个同频率简谐振动合成的物理图象和所得结论应熟练掌握，了解拍现象的成因和应用；,3. 掌握两个互相垂直的简谐振动合成的一般规律，特别是对于两个同频率简谐振动合成的物理图象和所得结论应熟练掌握；,4. 理解阻尼振动、受迫振动和共振的一般规律；,44,5. 在明确关于波动的几个基本概念的基础上，熟练掌握平面简谐波波函数的几种表示，并明确其物理意义；理解波的叠加原理和惠更斯原理的基本内容；,6. 掌握相干波条件以及干涉加强和干涉减弱的条件、驻波的形成、规律和特点。,7. 理解多普勒效应的成因，掌握多普勒效应的应用,
