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光的多普勒效應(yīng)推導(dǎo)

來源 :華課網(wǎng)校 2024-06-19 21:13:08

光的多普勒效應(yīng)是指光源或接收者的運動會影響到光的頻率。具體來說,當(dāng)光源或接收者靠近觀察者時,光的頻率會增加,波長會縮短;當(dāng)光源或接收者遠離觀察者時,光的頻率會減小,波長會延長。這種現(xiàn)象被稱為光的多普勒效應(yīng)。

為了推導(dǎo)光的多普勒效應(yīng),我們需要先了解一些基礎(chǔ)知識。首先,我們知道光是一種電磁波,其頻率與波長之間存在著反比關(guān)系。即頻率越高,波長越短;頻率越低,波長越長。其次,我們還需要知道光在真空中傳播的速度為常數(shù),即光速不變。

假設(shè)有一個光源在靜止?fàn)顟B(tài)下發(fā)出頻率為f的光,即光的波長為λ=c/f,其中c為光速?,F(xiàn)在,我們讓光源以速度v向觀察者靠近,那么觀察者就會感受到光的頻率變化。

首先,我們來看光源靠近觀察者的情況。此時,光源發(fā)出的每個波峰到達觀察者的時間間隔會縮短,因為光源向前移動了一定距離。而觀察者感受到的光的頻率取決于波峰到達的時間間隔,因此頻率會增加。具體地,設(shè)光源的速度為v,觀察者和光源之間的距離為d,則觀察者感受到的光的頻率f'為:

f' = f(1 + v/c)

其中,v/c表示光源移動距離與光速之比,也稱為相對速度。由于v是正數(shù),因此f'比f大,即光的頻率增加了。此外,由于光速不變,波長也會隨之縮短,即:

λ' = λ(1 - v/c)

接下來,我們來看光源遠離觀察者的情況。此時,光源發(fā)出的每個波峰到達觀察者的時間間隔會延長,因為光源向后移動了一定距離。而觀察者感受到的光的頻率仍然取決于波峰到達的時間間隔,因此頻率會減小。具體地,設(shè)光源的速度為v,則觀察者感受到的光的頻率f''為:

f'' = f(1 - v/c)

由于v是正數(shù),因此f''比f小,即光的頻率減小了。同樣地,波長也會隨之延長,即:

λ'' = λ(1 + v/c)

綜上所述,光的多普勒效應(yīng)可以通過光源或接收者的運動來解釋。當(dāng)光源或接收者靠近觀察者時,光的頻率會增加,波長會縮短;當(dāng)光源或接收者遠離觀察者時,光的頻率會減小,波長會延長。

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