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光的多普勒效应推导

来源 :华课网校 2024-07-29 23:29:57

光的多普勒效应是指光源或接收者的运动会影响到光的频率。具体来说,当光源或接收者靠近观察者时,光的频率会增加,波长会缩短;当光源或接收者远离观察者时,光的频率会减小,波长会延长。这种现象被称为光的多普勒效应。

为了推导光的多普勒效应,我们需要先了解一些基础知识。首先,我们知道光是一种电磁波,其频率与波长之间存在着反比关系。即频率越高,波长越短;频率越低,波长越长。其次,我们还需要知道光在真空中传播的速度为常数,即光速不变。

假设有一个光源在静止状态下发出频率为f的光,即光的波长为λ=c/f,其中c为光速。现在,我们让光源以速度v向观察者靠近,那么观察者就会感受到光的频率变化。

首先,我们来看光源靠近观察者的情况。此时,光源发出的每个波峰到达观察者的时间间隔会缩短,因为光源向前移动了一定距离。而观察者感受到的光的频率取决于波峰到达的时间间隔,因此频率会增加。具体地,设光源的速度为v,观察者和光源之间的距离为d,则观察者感受到的光的频率f'为:

f' = f(1 + v/c)

其中,v/c表示光源移动距离与光速之比,也称为相对速度。由于v是正数,因此f'比f大,即光的频率增加了。此外,由于光速不变,波长也会随之缩短,即:

λ' = λ(1 - v/c)

接下来,我们来看光源远离观察者的情况。此时,光源发出的每个波峰到达观察者的时间间隔会延长,因为光源向后移动了一定距离。而观察者感受到的光的频率仍然取决于波峰到达的时间间隔,因此频率会减小。具体地,设光源的速度为v,则观察者感受到的光的频率f''为:

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

由于v是正数,因此f''比f小,即光的频率减小了。同样地,波长也会随之延长,即:

λ'' = λ(1 + v/c)

综上所述,光的多普勒效应可以通过光源或接收者的运动来解释。当光源或接收者靠近观察者时,光的频率会增加,波长会缩短;当光源或接收者远离观察者时,光的频率会减小,波长会延长。

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