多普勒与多普勒效应

刘毅 李绍林

在日常生活中，你是否会有这样的发现：当一辆警车或赛车从我们身旁呼啸而过时，警车的警报声和赛车的发动机声在靠近我们时越来越刺耳，而当通过我们身旁的一刹那。音调突然变低了，随着它们的远去，这些声音逐渐变弱，直到消失，为什么会发生这种现象呢？这种现象又是谁最先发现的呢？

那是1842年的一天，奥地利数学家、物理学家多普勒带着女儿在铁道旁散步，一列火车从远处开来，细心的多普勒突然注意到了这样一个现象：火车在靠近他们时笛声越来越刺耳，然而就在火车通过他们身旁的一刹那，笛声音调突然变低了，随着火车的远去。笛声响度逐渐变弱，直到消失，这个平常的现象吸引了多普勒的注意，他思考：为什么笛声音调会变化呢？他对这个物理现象产生了极大的兴趣，并进行了相关的研究。

多普勒是奥地利萨尔茨堡一名石匠的儿子，年轻的多普勒曾在维也纳理工学院学习数学。又在萨尔茨堡修读哲学课，然后又回到维也纳大学学习高级数学、天文学和力学，由于从小就接受到良好的教育，养成了他认真观察，勤于思考的好习惯，他仔细研究过火车事件后，注意到：当观察者与声源相对静止时，声波的频率没有改变；当声源和观察者有相对运动时，观察者接收到的声波频率就会发生变化，他的这一结论立即引起了许多人的质疑和反对，反对者认为，这不过是听者耳朵的一种错觉罢了，面对权威的反对，多普勒很想利用实验来验证，但在那个时代，根本没有精密仪器能够检测出音调的变化，最后，聪明的多普勒终于想到了一个“笨”方法：请专业的乐手亲耳辨别。

在一个阳光明媚的早晨，多普勒请了一队小号手在行驶的平板车上演奏，然后再请训练有素的音乐家用耳朵来辨别号手们逐渐走近又逐渐走远时声音音调的变化，以验证该理论，结果这些音乐家用自己的耳朵听出了音调有相应的变化，音乐家的结论让多普勒欣喜异常，也让他更加坚信自己观点的正确性。

但为什么会有这样的现象呢？多普勒又进行了相关的很多研究。

我们知道，音调是由发声体振动的频率决定的，既然音调发生了变化，则一定是声波的频率改变了，经过仔细分析，多普勒终于发现了这样一个规律：声波频率在声源移向观察者时变高，而在声源远离观察者时变低，即，观察者与声源的相对运动改变了观察者所接收到的声波频率，这种现象我们现在就称之为多普勒效应。

以汽车的运动来说明，当汽车以恒定速度驶近我们时，汽笛发出的声波在传播过程中好像被压缩了，也就是声波的波长缩短了，因此在一定时间间隔内我们接收到的汽笛声的波数就增加了，这就是我们为什么会感觉音调变高的原因，相反，当汽车驶向远方时，声波被拉伸了，声波的波长变长，因此，声音听起来就显得低沉，如果把声波视为有规律间隔发射的脉冲，可以想象，若你面向声源每走一步，那么，在你面前的每一个脉冲都比你站立不动时更接近你。

多普勒效应现在已被广泛应用于各个领域中，例如，高速路上的测速仪，测速仪向行进中的车辆发射频率已知的电磁波，同时测量反射波的频率，根据反射波频率变化的多少就能知道车辆的速度了，医学上用来诊断病情的彩超用到的也是多普勒效应，多普勒效应也适用于电磁波，著名的科学家爱德文，哈勃还根据多普勒效应得出宇宙正在膨胀的结论。

责任编辑 蔡华杰