火車汽笛為什么變化?淺談多普勒效應

一、聲波的多普勒效應

　　在日常生活中，我們都會有這種經驗：當一列鳴著汽笛的火車經過某觀察者時，他會發現火車汽笛的聲調由高

變低. 為什么會發生這種現象呢？這是因為聲調的高低是由聲波振動頻率的不同決定的，如果頻率高，聲調聽起來

就高；反之聲調聽起來就低.這種現象稱為多普勒效應，它是用發現者克里斯蒂安·多普勒（Christian

Doppler,1803-1853）的名字命名的，多普勒是奧地利物理學家和數學家.他于1842年首先發現了這種效應.為了理

解這一現象，就需要考察火車以恒定速度駛近時，汽笛發出的聲波在傳播時的規律.其結果是聲波的波長縮短，好象

波被壓縮了.因此，在一定時間間隔內傳播的波數就增加了，這就是觀察者為什么會感受到聲調變高的原因；相反，

當火車駛向遠方時，聲波的波長變大，好象波被拉伸了. 因此，聲音聽起來就顯得低沉.定量分析得到f1=（u+v0）

/（u-vs）f ，其中vs為波源相對于介質的速度，v0為觀察者相對于介質的速度，f表示波源的固有頻率，u表示波

在靜止介質中的傳播速度. 當觀察者朝波源運動時，v0取正號；當觀察者背離波源（即順著波源）運動時，v0取負

號. 當波源朝觀察者運動時vs前面取負號；前波源背離觀察者運動時vs取正號. 從上式易知，當觀察者與聲源相互

靠近時，ｆ1＞ｆ ；當觀察者與聲源相互遠離時。ｆ１＜ｆ



　　二、光波的多普勒效應

　　具有波動性的光也會出現這種效應，它又被稱為多普勒-斐索效應. 因為法國物理學家斐索（1819-1896）于

1848年獨立地對來自恒星的波長偏移做了解釋，指出了利用這種效應測量恒星相對速度的辦法.光波與聲波的不同之

處在于，光波頻率的變化使人感覺到是顏色的變化. 如果恒星遠離我們而去，則光的譜線就向紅光方向移動，稱為

紅移；如果恒星朝向我們運動，光的譜線就向紫光方向移動，稱為藍移.

　　三、光的多普勒效應的應用

　　20世紀20年代，美國天文學家斯萊弗在研究遠處的旋渦星云發出的光譜時，首先發現了光譜的紅移，認識到了

旋渦星云正快速遠離地球而去.1929年哈勃根據光普紅移總結出著名的哈勃定律：星系的遠離速度v與距地球的距離

r成正比，即v=Hr,H為哈勃常數.根據哈勃定律和后來更多天體紅移的測定，人們相信宇宙在長時間內一直在膨脹，

物質密度一直在變小. 由此推知，宇宙結構在某一時刻前是不存在的，它只能是演化的產物. 因而1948年伽莫夫（

G. Gamow）和他的同事們提出大爆炸宇宙模型. 20世紀60年代以來，大爆炸宇宙模型逐漸被廣泛接受，以致被天文

學家稱為宇宙的"標準模型" .

　　多普勒-斐索效應使人們對距地球任意遠的天體的運動的研究成為可能，這只要分析一下接收到的光的頻譜就行

了. 1868年，英國天文學家W. 哈金斯用這種辦法測量了天狼星的視向速度（即物體遠離我們而去的速度），得出了

46 km/s的速度值 .