火车汽笛为什么变化?浅谈多普勒效应

在日常生活中，我们都会有这种经验：当一列鸣着汽笛的火车经过某观察者时，他会发现火车汽笛的声调由高

变低.为什么会发生这种现象呢？这是因为声调的高低是由声波振动频率的不同决定的，如果频率高，声调听起来

就高；反之声调听起来就低.这种现象称为多普勒效应，它是用发现者克里斯蒂安・多普勒（Christian

Doppler,1803-1853）的名字命名的，多普勒是奥地利物理学家和数学家.他于1842年首先发现了这种效应.为了理

解这一现象，就需要考察火车以恒定速度驶近时，汽笛发出的声波在传播时的规律.其结果是声波的波长缩短，好象

波被压缩了.因此，在一定时间间隔内传播的波数就增加了，这就是观察者为什么会感受到声调变高的原因；相反，

当火车驶向远方时，声波的波长变大，好象波被拉伸了.因此，声音听起来就显得低沉.定量分析得到f1=（u+v0）

/（u-vs）f，其中vs为波源相对于介质的速度，v0为观察者相对于介质的速度，f表示波源的固有频率，u表示波

在静止介质中的传播速度.当观察者朝波源运动时，v0取正号；当观察者背离波源（即顺着波源）运动时，v0取负

号.当波源朝观察者运动时vs前面取负号；前波源背离观察者运动时vs取正号.从上式易知，当观察者与声源相互

靠近时，ｆ1＞ｆ；当观察者与声源相互远离时。ｆ１＜ｆ

二、光波的多普勒效应

具有波动性的光也会出现这种效应，它又被称为多普勒-斐索效应.因为法国物理学家斐索（1819-1896）于

1848年独立地对来自恒星的波长偏移做了解释，指出了利用这种效应测量恒星相对速度的办法.光波与声波的不同之

处在于，光波频率的变化使人感觉到是颜色的变化.如果恒星远离我们而去，则光的谱线就向红光方向移动，称为

红移；如果恒星朝向我们运动，光的谱线就向紫光方向移动，称为蓝移.

三、光的多普勒效应的应用

20世纪20年代，美国天文学家斯莱弗在研究远处的旋涡星云发出的光谱时，首先发现了光谱的红移，认识到了

旋涡星云正快速远离地球而去.1929年哈勃根据光普红移总结出著名的哈勃定律：星系的远离速度v与距地球的距离

r成正比，即v=Hr,H为哈勃常数.根据哈勃定律和后来更多天体红移的测定，人们相信宇宙在长时间内一直在膨胀，

物质密度一直在变小.由此推知，宇宙结构在某一时刻前是不存在的，它只能是演化的产物.因而1948年伽莫夫（

G.Gamow）和他的同事们提出大爆炸宇宙模型.20世纪60年代以来，大爆炸宇宙模型逐渐被广泛接受，以致被天文

学家称为宇宙的.

多普勒-斐索效应使人们对距地球任意远的天体的运动的研究成为可能，这只要分析一下接收到的光的频谱就行

了.1868年，英国天文学家W.哈金斯用这种办法测量了天狼星的视向速度（即物体远离我们而去的速度），得出了

46km/s的速度值.