多普勒效應(yīng)的物理原理及應(yīng)用

1、本科學(xué)生畢業(yè)論文（設(shè)計）題目(中 文):多普勒效應(yīng)的物理原理及應(yīng)用(英 文):The physical principle and application of Doppler effect姓 名聶亮學(xué) 號6院 （系）電子工程系專業(yè)、年級物理學(xué) 2009級指導(dǎo)教師尹鑫桃2013年 5 月 8 日湖南科技學(xué)院本科畢業(yè)論文（設(shè)計）誠信聲明本人鄭重聲明：所呈交的本科畢業(yè)論文（設(shè)計），是本人在指導(dǎo)老師的指導(dǎo)下，獨立進(jìn)行研究工作所取得的成果，成果不存在知識產(chǎn)權(quán)爭議，除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，本論文不含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的作品成果。對本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個人和集體均已在文中以明確方式

2、標(biāo)明。本人完全意識到本聲明的法律結(jié)果由本人承擔(dān)。 本科畢業(yè)論文（設(shè)計）作者簽名： 年 月 日 畢業(yè)論文（設(shè)計）任務(wù)書課題名稱：多普勒效應(yīng)的物理原理及應(yīng)用學(xué)生姓名：聶亮系 別：電子工程系專 業(yè)：物理學(xué)指導(dǎo)教師：尹鑫桃 2012 年 11 月 30 日湖南科技學(xué)院本科畢業(yè)論文（設(shè)計）任務(wù)書1、主題詞、關(guān)鍵詞： 主題詞：多普勒效應(yīng)的原理、多普勒效應(yīng)的應(yīng)用。關(guān)鍵詞：多普勒效應(yīng)、聲波、電磁波、光波。2、畢業(yè)論文（設(shè)計）內(nèi)容要求：1、通過對多普勒效應(yīng)的學(xué)習(xí)，了解多普勒效應(yīng)在國內(nèi)外研究中的進(jìn)展?fàn)顩r及存在的問題；2、歸納、推導(dǎo)經(jīng)典物理和相對論多普勒效應(yīng)的一般公式；3、綜述多普勒效應(yīng)在各個領(lǐng)域的應(yīng)用及其相關(guān)知識

3、；3、文獻(xiàn)查閱指引：1 王心芬在談多普勒效應(yīng)J現(xiàn)代物理知識，1997（3）2 曹惠賢，王煜，等 美國高校物理實驗教學(xué)與管理情況考察報告J大學(xué)物理，2004，23（3）：42453 周殿清大學(xué)物理實驗M武漢：武漢大學(xué)出版社，2002：674 李光仲，劉俊英，等基于數(shù)字存儲示波器的超聲多普勒效應(yīng)實驗系統(tǒng)的研究與應(yīng)用J大學(xué)物理，2009，28（12）：33-355 鄭永令，賈起明，方小敏力學(xué)M北京：高等教育出版社，2002：441-4446 陸廷濟(jì)，胡德敬，陳銘南物理實驗教程M上海：同濟(jì)大學(xué)出版社，2000：167-1687 龐云生活中的多普勒效應(yīng)J科技視野，2009，18期：1-28 劉廣生，李慧

4、多普勒效應(yīng)及應(yīng)用J百科知識，2006，5期：64、畢業(yè)論文（設(shè)計）進(jìn)度安排：2012-12-242013-01-02：選題、收集相關(guān)資料、完成文獻(xiàn)綜述及外文翻譯；2013-01-032013-01-24：開展有關(guān)論文調(diào)研活動，收集相關(guān)資料；2013-01-252013-01-31：開題、完成開題報告；2013-02-012013-03-25：撰寫和完成論文初稿；2013-03-262013-03-31：論文修改；2013-04-012013-04-08：論文自評自查、完善、準(zhǔn)備答辯；2013-05-172013-05-18：參加答辯；2013-05-192013-05-25：后期檢查整改、定稿

5、。教研室意見： 負(fù)責(zé)人簽名： 注：本任務(wù)書一式三份，由指導(dǎo)教師填寫，經(jīng)教研室審批后一份下達(dá)給學(xué)生，一份交指導(dǎo)教師，一份留系里存檔。湖南科技學(xué)院本科畢業(yè)論文（設(shè)計）開題報告書論文（設(shè)計）題目多普勒效應(yīng)的物理原理及應(yīng)用作 者 姓 名聶亮所屬系、專業(yè)、年級 電子工程系 物理學(xué)專業(yè) 2009年級指導(dǎo)教師姓名、職稱尹鑫桃 講師預(yù)計字?jǐn)?shù)10000開題日期2012.12.24選題的根據(jù)：1、說明本選題的理論、實際意義：隨著多普勒效應(yīng)的發(fā)展與推廣，它已經(jīng)在很多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。本題課的主要目的在于通過對多普勒效應(yīng)的學(xué)習(xí)，了解多普勒效應(yīng)在國外的研究中的發(fā)展概況及存在的問題。并歸納、導(dǎo)出相對論多普勒效應(yīng)一般公

6、式，綜合多普勒效應(yīng)在各領(lǐng)域的應(yīng)用等相關(guān)知識。2、綜述國內(nèi)外有關(guān)本選題的研究動態(tài)和自己的見解：1842年奧地利物理學(xué)家多普勒首先發(fā)現(xiàn)了聲波的多普勒效應(yīng)，之后隨著多普勒效應(yīng)的發(fā)展，人們證實了多普勒效應(yīng)使用于所有類型的波，包括電磁波。20世紀(jì)以來，多普勒效應(yīng)逐漸的由理論走向?qū)嵺`，在越來越多的領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，特別的在醫(yī)學(xué)、交通、通訊及軍事科技方面的應(yīng)用，讓我們深感這一理論的偉大。盡管多普勒效應(yīng)存在有它的弊端，但我們相信它的應(yīng)用更多的是促進(jìn)科學(xué)研究和科技的發(fā)展，給我們的生活帶來更多的便利。主要內(nèi)容：本文首先以聲音和激光的多普勒效應(yīng)為例，對聲波、光波及電磁波的多普勒效應(yīng)原理進(jìn)行詳細(xì)闡述，并對目前各高

7、校的多普勒效應(yīng)實驗進(jìn)行總結(jié)和改進(jìn)。第三章詳細(xì)介紹了多普勒效應(yīng)在醫(yī)學(xué)治療、氣象監(jiān)控與預(yù)警、衛(wèi)星通信和軍事雷達(dá)測速與追蹤等領(lǐng)域的具體應(yīng)用：如全數(shù)字化彩超、多普勒超聲診斷、多普勒天氣雷達(dá)、GPS導(dǎo)航、多普勒機載火控雷達(dá)等等。以具體實例的形式介紹了多普勒效應(yīng)對人類科學(xué)發(fā)展的重要影響。研究方法：本課題采用文獻(xiàn)研究、實驗探究驗證和案例分析方法進(jìn)行研究。完成期限和采取的主要措施：完成時間：2013-02-012013-03-25：撰寫和完成論文初稿；主要措施：在圖書館及網(wǎng)上查閱相關(guān)資料；請指導(dǎo)老師修改并自我完善論文。主要參考資料：1 王心芬在談多普勒效應(yīng)J現(xiàn)代物理知識，1997（3）2 曹惠賢，王煜，等 美

8、國高校物理實驗教學(xué)與管理情況考察報告J大學(xué)物 理，2004，23（3）：42453 周殿清大學(xué)物理實驗M武漢：武漢大學(xué)出版社，2002：674 李光仲，劉俊英，等基于數(shù)字存儲示波器的超聲多普勒效應(yīng)實驗系統(tǒng)的研究與應(yīng)用J大學(xué)物理，2009，28（12）：33-355 鄭永令，賈起明，方小敏力學(xué)M北京：高等教育出版社，2002：441-4446 陸廷濟(jì)，胡德敬，陳銘南物理實驗教程M上海：同濟(jì)大學(xué)出版社，2000：167-1687 龐云生活中的多普勒效應(yīng)J科技視野，2009，18期：1-28 劉廣生，李慧多普勒效應(yīng)及應(yīng)用J百科知識，2006，5期：6指導(dǎo)教師意見： 指導(dǎo)教師簽名： 教研室意見：簽 名

9、： 年 月 日開 題 報 告 會 紀(jì) 要時間 2012-12-24地點3教104與會人員姓 名職務(wù)（職稱）姓 名職務(wù)（職稱）姓 名職務(wù)（職稱）孔永紅副教授譚美華講 師尹鑫桃講 師高海峽講 師鐘 鋒講 師會議記錄摘要：1、 你所選論文課題準(zhǔn)備是什么方向？（鐘鋒老師）答：本人喜歡做具有較強邏輯的科研課題和對未來發(fā)展有較高憧憬的學(xué)術(shù)型課題。2、 你為什么要選多普勒效應(yīng)作為你的研究課題？（高海峽老師）答：因為多普勒效應(yīng)的應(yīng)用的發(fā)展在近幾年來是非常熱門的一個課題；它給整個世界的經(jīng)濟(jì)、科技和軍事都做出了不可磨滅的貢獻(xiàn)；并且我相信在未來的日子里更能創(chuàng)出一片新天地。3、 對于這個課題你準(zhǔn)備怎么去探究？（譚美華

10、老師）答：通過在圖書館和中國知網(wǎng)等各類期刊專輯上查閱資料，再者在老師的指導(dǎo)及日常生活現(xiàn)象中去探索。會議主持人：記 錄 人：年 月 日指導(dǎo)小組意見負(fù)責(zé)人簽名： 年 月 日系部 意 見負(fù)責(zé)人簽名：年月日注：此表由學(xué)生本人填寫，一式三份，一份留系里存檔，指導(dǎo)老師和本人各保存一份湖南科技學(xué)院畢業(yè)論文（設(shè)計）中期檢查表畢業(yè)論文（設(shè)計）題 目多普勒效應(yīng)的物理原理及應(yīng)用學(xué)生姓名聶亮學(xué) 號6系 別電子工程系專 業(yè)物理學(xué)指導(dǎo)教師尹鑫桃檢查日期指導(dǎo)教師檢查情況記載及修改意見：1、2012年12月下達(dá)畢業(yè)論文任務(wù)書，并對“多普勒效應(yīng)的物理原理及應(yīng)用”的課題內(nèi)涵向聶亮同學(xué)做了闡釋，提出了畢業(yè)論文撰寫的具體要求。2、聶

11、亮同學(xué)在2013年元月上交開題報告，指導(dǎo)老師幫他對開題報告進(jìn)行修改和完善，是討論的問題更加明確化。 3、2013年4月20日，聶亮同學(xué)發(fā)來論文正稿的初稿。經(jīng)審閱，主要存在一下問題：（1）摘要需修改，緒論部分資料少，要修改，對中心內(nèi)容分析有不足之處，應(yīng)用方面闡述太多，具體修改意見已經(jīng)面談。（2）文章結(jié)構(gòu)需要做部分調(diào)整。（3）文章格式必須加以修改，參閱“湖南科技學(xué)院畢業(yè)論文撰寫規(guī)范”。（4）必須詳細(xì)指明數(shù)據(jù)的來源以及參考文獻(xiàn)。4、目前聶亮同學(xué)的畢業(yè)論文總的來說是按照任務(wù)書和開題報告的計劃進(jìn)行的，進(jìn)展順利。2013年4月29日對該同學(xué)的論文進(jìn)行面對面的指導(dǎo)，提出一些修改意見后并提出如下幾點要求：（1

12、）認(rèn)真審核，以保證論文內(nèi)容的科學(xué)性。（2）仔細(xì)學(xué)校學(xué)院的關(guān)于畢業(yè)論文的編排規(guī)范，做到規(guī)范化。（3）力爭2013年5月中旬完成論文定稿。簽名： 注：此表用于指導(dǎo)教師在學(xué)生畢業(yè)論文（設(shè)計）初稿完成后對學(xué)生執(zhí)行任務(wù)書情況進(jìn)行中期檢查時用，由指導(dǎo)教師填寫。湖南科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文）指導(dǎo)過程記錄表畢業(yè)論文(設(shè)計)題目多普勒效應(yīng)物理原理及應(yīng)用學(xué)生姓名聶亮學(xué)號6專業(yè)班級物理學(xué)0901指導(dǎo)教師尹鑫桃職稱講 師系（教研室）電子工程系指導(dǎo)過程記錄指導(dǎo)內(nèi)容記錄(一) 與學(xué)生進(jìn)行初步談話，確定論文寫作的大致方向，包括論文涉及到的主要結(jié)構(gòu)等，經(jīng)過分析、篩選，確定最終的選題。 學(xué) 生 簽 名： 201 年 月 日 指導(dǎo)

13、教師簽名： 201 年 月 日指導(dǎo)內(nèi)容記錄(二)下達(dá)任務(wù)書，指導(dǎo)學(xué)生根據(jù)任務(wù)書，查閱、收集和整理文獻(xiàn)。開展調(diào)研，確定思路，并指導(dǎo)學(xué)生完成開題報告。學(xué) 生 簽 名： 201 年 月 日 指導(dǎo)教師簽名： 201 年 月 日指導(dǎo)內(nèi)容記錄（三)就一些關(guān)于畢業(yè)論文計劃進(jìn)程表的制定等方面的問題。老師通過電話對我進(jìn)行了相關(guān)方面的指導(dǎo)。從而讓我對畢業(yè)論文有了更深入全面的了解，并對我的論文提綱的提出修改意見，并在構(gòu)思論文的框架、行文及思想表達(dá)上給予補充，從而我在整理上完成論文初稿。學(xué) 生 簽 名： 201 年 月 日 指導(dǎo)教師簽名： 201 年 月 日指導(dǎo)內(nèi)容記錄(四)審閱初稿，老師對初稿做出修改，提示論文觀點

14、存在的問題，調(diào)整文章布局，在行文、語言表達(dá)等提出觀點。格式方面做出要求并提出修改的具體意見或建議。學(xué) 生 簽 名： 201 年 月 日 指導(dǎo)教師簽名： 201 年 月 日指導(dǎo)過程記錄指導(dǎo)內(nèi)容記錄(五)老師對上一稿做出修改。并對文獻(xiàn)綜述進(jìn)行指導(dǎo)。通過幾次修改最終定稿，并做好注釋、參考文獻(xiàn)、資料裝訂等掃尾工作學(xué) 生 簽 名： 201 年 月 日 指導(dǎo)教師簽名： 201 年 月 日指導(dǎo)內(nèi)容記錄(六)對學(xué)生關(guān)于畢業(yè)論文答辯的PPT提出一點意見，并讓學(xué)生對其進(jìn)行修改完善，以便順利進(jìn)行答辯。學(xué) 生 簽 名： 201 年 月 日 指導(dǎo)教師簽名： 201 年 月 日指導(dǎo)內(nèi)容記錄(七)學(xué) 生 簽 名： 201

15、年 月 日 指導(dǎo)教師簽名： 201 年 月 日指導(dǎo)內(nèi)容記錄(八)學(xué) 生 簽 名： 201 年 月 日 指導(dǎo)教師簽名： 201 年 月 日答辯小組組長意見(對情況是否屬實做出意見)組長(簽名)： 201 年 月 日注：本表與畢業(yè)論文一起裝訂存檔。湖南科技學(xué)院本科畢業(yè)論文（設(shè)計）評審表論文題目多普勒效應(yīng)的物理原理及應(yīng)用作者姓名聶亮所屬系、專業(yè)、年級電子工程 系 物理學(xué) 專業(yè) 2009年級指導(dǎo)教師姓名、職稱尹鑫桃 講師字 數(shù)14000定稿日期2013-05-25中文摘要本文首先以機械波的多普勒效應(yīng)為例，闡述了經(jīng)典多普勒效應(yīng)的原理，接著又考慮了相對論效應(yīng)后，推導(dǎo)出了激光、電磁波的多普勒效應(yīng)表達(dá)式。最后

16、介紹了多普勒效應(yīng)在醫(yī)學(xué)治療、氣象監(jiān)控與預(yù)警、衛(wèi)星通信和軍事雷達(dá)測速與追蹤等領(lǐng)域的具體應(yīng)用：如全數(shù)字化彩超、多普勒超聲診斷、多普勒天氣雷達(dá)、GPS導(dǎo)航、多普勒機載火控雷達(dá)等等。以具體實例的形式介紹了多普勒效應(yīng)對人類科學(xué)發(fā)展的重要影響。關(guān)鍵詞（3-5個）多普勒效應(yīng) 電磁波 聲波 光波英文摘要The paper takes the Doppler effect of mechanical wave for example to explain the principle of the classical Doppler effect. Then taken relativistic effects

17、into account, the expressions of lasers and electromagnetic waves are deduced. Finally the paper introduces the application of Doppler effect in medical treatment, weather monitoring and warning, satellite communications and military radar track and field, such as digital color Doppler ultrasound, D

18、oppler ultrasound diagnosis, Doppler weather radar, GPS navigation, Doppler of airborne fire control radar and so on. The important influence of the Doppler effect on the development of human science is introduced by .the specific examples.關(guān)鍵詞(3-5個)Doppler effect Electromagnetic wave Sound wave指導(dǎo)教師評

19、定成績評審基元評審要素評審內(nèi)涵滿分指導(dǎo)教師實評分選題質(zhì)量25%目的明確符合要求選題符合專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)，體現(xiàn)學(xué)科、專業(yè)特點和教學(xué)計劃的基本要求，達(dá)到畢業(yè)論文（設(shè)計）綜合訓(xùn)練的目的。10理論意義或?qū)嶋H價值符合本學(xué)科的理論發(fā)展，有一定的學(xué)術(shù)意義；對經(jīng)濟(jì)建設(shè)和社會發(fā)展的應(yīng)用性研究中的某個理論或方法問題進(jìn)行研究，具有一定的實際價值。10選題恰當(dāng)題目規(guī)模適當(dāng)，難易度適中；有一定的科學(xué)性。5能力水平40%查閱文獻(xiàn)資料能力能獨立查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料，歸納總結(jié)本論文所涉及的有關(guān)研究狀況及成果。10綜合運用知識能力能運用所學(xué)專業(yè)知識闡述問題；能對查閱的資料進(jìn)行整理和運用；能對其科學(xué)論點進(jìn)行論證。10研究方案的設(shè)計能力整

20、體思路清晰；研究方案合理可行。5研究方法和手段的運用能力能運用本學(xué)科常規(guī)研究方法及相關(guān)研究手段（如計算機、實驗儀器設(shè)備等）進(jìn)行實驗、實踐并加工處理、總結(jié)信息。10外文應(yīng)用能力能閱讀、翻譯一定量的本專業(yè)外文資料、外文摘要和外文參考書目（特殊專業(yè)除外）體現(xiàn)一定的外語水平。5論文質(zhì)量35%文題相符較好地完成論文選題的目的要求。5寫作水平論點鮮明；論據(jù)充分；條理清晰；語言流暢。15寫作規(guī)范符合學(xué)術(shù)論文的基本要求。用語、格式、圖表、數(shù)據(jù)、量和單位、各種資料引用規(guī)范化、符合標(biāo)準(zhǔn)。10論文篇幅10000字左右。5實評總分 成績等級 指導(dǎo)教師評審意見： 指導(dǎo)教師簽名： 說明：評定成績分為優(yōu)秀、良好、中等、及格

21、、不及格五個等級，實評總分90100分記為優(yōu)秀，8089分記為良好，7079分記為中等，6069分記為及格，60分以下記為不及格。評閱教師評定成績評審基元評審要素評審內(nèi)涵滿分評閱教師實評分選題質(zhì)量25%目的明確符合要求選題符合專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)，體現(xiàn)學(xué)科、專業(yè)特點和教學(xué)計劃的基本要求，達(dá)到畢業(yè)論文（設(shè)計）綜合訓(xùn)練的目的。10理論意義或?qū)嶋H價值符合本學(xué)科的理論發(fā)展，有一定的學(xué)術(shù)意義；對經(jīng)濟(jì)建設(shè)和社會發(fā)展的應(yīng)用性研究中的某個理論或方法問題進(jìn)行研究，具有一定的實際價值。10選題恰當(dāng)題目規(guī)模適當(dāng)，難易度適中；有一定的科學(xué)性。5能力水平40%查閱文獻(xiàn)資料能力能獨立查閱相關(guān)文獻(xiàn)資料，歸納總結(jié)本論文所涉及的有關(guān)研

22、究狀況及成果。10綜合運用知識能力能運用所學(xué)專業(yè)知識闡述問題；能對查閱的資料進(jìn)行整理和運用；能對其科學(xué)論點進(jìn)行論證。10研究方案的設(shè)計能力整體思路清晰；研究方案合理可行。5研究方法和手段的運用能力能運用本學(xué)科常規(guī)研究方法及相關(guān)研究手段（如計算機、實驗儀器設(shè)備等）進(jìn)行實驗、實踐并加工處理、總結(jié)信息。10外文應(yīng)用能力能閱讀、翻譯一定量的本專業(yè)外文資料、外文摘要和外文參考書目（特殊專業(yè)除外）體現(xiàn)一定的外語水平。5論文質(zhì)量35%文題相符較好地完成論文選題的目的要求。5寫作水平論點鮮明；論據(jù)充分；條理清晰；語言流暢。15寫作規(guī)范符合學(xué)術(shù)論文的基本要求。用語、格式、圖表、數(shù)據(jù)、量和單位、各種資料引用規(guī)范化

23、、符合標(biāo)準(zhǔn)。10論文篇幅10000字左右。5實評總分 成績等級 評閱教師評審意見： 評閱教師簽名： 說明：評定成績分為優(yōu)秀、良好、中等、及格、不及格五個等級，實評總分90100分記為優(yōu)秀，8089分記為良好，7079分記為中等，6069分記為及格，60分以下記為不及格。湖南科技學(xué)院本科畢業(yè)論文（設(shè)計）答辯記錄表論文題目多普勒效應(yīng)物理原理及應(yīng)用作者姓名聶亮所屬系、專業(yè)、年級電子工程系 物理學(xué)專業(yè) 2009年級指導(dǎo)教師姓名、職稱尹鑫桃 講師答 辯 會 紀(jì) 要時間2013-05-18地點3教104答辯小組成員姓 名職務(wù)（職稱）姓 名職務(wù)（職稱）姓 名職務(wù)（職稱）孔永紅副教授鐘 鋒講 師高海峽講 師尹

24、鑫桃講 師譚美華講 師答辯中提出的主要問題及回答的簡要情況記錄：1、列舉一個與生活貼切相關(guān)的例子闡述多普勒效應(yīng)（鐘鋒老師）：答：乘坐火車時，我們在站臺候車，當(dāng)火車從遠(yuǎn)方駛?cè)胝九_時，其鳴笛聲音頻漸漸變高；當(dāng)火車從站臺駛出遠(yuǎn)離我們時，其鳴笛聲音頻漸漸減低。2、在我們生活中哪些是多普勒效應(yīng)的具體應(yīng)用（譚美華老師）：答：高速公路上的電子測速儀、全數(shù)字化彩色超聲波診斷儀、GPS導(dǎo)航系統(tǒng)等等3、經(jīng)典多普勒效應(yīng)和相對論多普勒效應(yīng)有什么不同（孔永紅老師）：答：在經(jīng)典多普勒效應(yīng)中其分類有三種：一、波源相對觀測者運動；二、觀測者相對波源運動、三、波源和觀測者都運動。這三種類型有這不同的表達(dá)式。在相對論多普勒效應(yīng)中

25、以光速不變性原理為基礎(chǔ)，以上三種形式都轉(zhuǎn)化為一種形式，具有統(tǒng)一表達(dá)式。會議主持人：記 錄 人：2013年 05 月 18 日答辯小組意見評語：評定等級： 負(fù)責(zé)人（簽名）： 年 月 日系學(xué)位委員會意見評語：論文（設(shè)計）最終評定等級：負(fù)責(zé)人（簽名）： 系部（公章） 年月 日校學(xué)位委員會意見評語：評定等級： 負(fù)責(zé)人（簽名）： 年月 日 目 錄 緒論31 多普勒效應(yīng)的原理及表達(dá)式41.1 機械波多普勒效應(yīng)及表達(dá)式41.2 相對論多普勒效應(yīng)及表達(dá)式52 多普勒測速實驗設(shè)計82.1 多普勒測速原理82.2 實驗系統(tǒng)設(shè)計93 多普勒效應(yīng)的應(yīng)用103.1 多普勒測速103.1.1 聲波測速103.1.2 光波

26、測速113.2 衛(wèi)星多普勒定位12結(jié)論14參考文獻(xiàn)15致 謝16多普勒效應(yīng)的物理原理及應(yīng)用摘 要本文首先以機械波的多普勒效應(yīng)為例，闡述了經(jīng)典多普勒效應(yīng)的原理；其次又推導(dǎo)了激光、電磁波的多普勒效應(yīng)表達(dá)式，對相對論多普勒效應(yīng)進(jìn)行詳細(xì)的說明。其后還詳細(xì)介紹了多普勒效應(yīng)在醫(yī)學(xué)治療、氣象監(jiān)控與預(yù)警、衛(wèi)星通信和軍事雷達(dá)測速與追蹤等領(lǐng)域的具體應(yīng)用：如全數(shù)字化彩超、多普勒超聲診斷、多普勒天氣雷達(dá)、GPS導(dǎo)航、多普勒機載火控雷達(dá)等等。以具體實例的形式介紹了多普勒效應(yīng)對人類科學(xué)發(fā)展的重要影響?！娟P(guān)鍵字】多普勒效應(yīng) 電磁波 聲波 光波The physical principle and application of

27、 Doppler effectAbstractThe paper takes the Doppler effect of mechanical wave for example to explain the principle of the classical Doppler effect. Then taken relativistic effects into account, the explain the expressions of lasers and electromagnetic wave are deduced. Finally the paper introduces th

28、e application of Doppler effect in medical treatment, weather monitoring and warning, satellite communications and military radar track and field, such as digital color Doppler ultrasound, Doppler ultrasound diagnosis, Doppler weather radar, GPS navigatio -n Doppler of airborne fire control radar an

29、d so on. The important influence of the Doppler effect on the development of human science is introduced by the specific examples.【Key words】 Doppler effect Electromagnetic wave Sound wave 緒論多普勒效應(yīng)的提出是171年前的事。雖然當(dāng)時光的波動理論已經(jīng)被普遍接受，然而光譜技術(shù)的發(fā)展還處于初級階段。因而，多普勒提出他的效應(yīng)是有很大的風(fēng)險的。他沒有足夠的實驗數(shù)據(jù)作基礎(chǔ)，沒有充分的事實作依據(jù)，更沒有經(jīng)過適當(dāng)?shù)氖侄蝸?/p>

30、驗證，加上多普勒本人從來沒有進(jìn)入過天文臺，提出星體運動的顏色變化，理所當(dāng)然會遭到一些批評和反對。但多普勒具有非凡的膽識與超人的智慧，憑借波動理論的基礎(chǔ)，靠著嚴(yán)密的數(shù)學(xué)推導(dǎo)，得出了這一原理；其主要內(nèi)容為：物體輻射的波長因為波源和觀測者的相對運動而產(chǎn)生變化。在運動的波源前面，波被壓縮，波長變得較短，頻率變得較高 （藍(lán)移blue shift）；當(dāng)運動在波源后面時，會產(chǎn)生相反的效應(yīng)。波長變得較長，頻率變得較低 （紅移red shift）；波源的速度越高，所產(chǎn)生的效應(yīng)越大。根據(jù)波紅（藍(lán)）移的程度，可以計算出波源循著觀測方向運動的速度。成功解釋了雙子星的子星和變星的顏色和大小受到星體沿視線方向運動的影響。

31、多普勒效應(yīng)的提出起先受到了大多人的批評和質(zhì)疑，當(dāng)時的科技水平使大多數(shù)人認(rèn)為那只是一個荒謬的思想，然而人們通過聲學(xué)中頻率的變化第一次驗證了多普勒效應(yīng)原理的正確性。最常見的多普勒效應(yīng)是聲學(xué)的多普勒效應(yīng)，即火車汽笛變頻的實驗，聲學(xué)的驗證試驗相對較簡便也更容易為人們所接受，其后不久，俄羅斯科學(xué)家貝勒波爾斯基第一次用光學(xué)的方法驗證了多普勒效應(yīng)的正確性?，F(xiàn)在，多普勒效應(yīng)已經(jīng)成為普遍認(rèn)同并且開始廣泛應(yīng)用的規(guī)律。第二次世界大戰(zhàn)期間，英國受于德國空軍的困擾，首先應(yīng)用了多普勒效應(yīng)的原理研制發(fā)明了最早期的聲學(xué)雷達(dá)，開始了航天領(lǐng)域的一次重大變革，并且影響至今。目前，多普勒效應(yīng)技術(shù)在許多科學(xué)領(lǐng)域如工程技術(shù)和醫(yī)療診斷等各

32、個方面都有著十分廣泛的應(yīng)用。如由于分子、原子和離子的熱運動產(chǎn)生的多普勒效應(yīng)使其發(fā)射和吸收的譜線增寬，在天體物理中可利用譜線的多普勒增寬分析恒星大氣。今天的天文學(xué)家從多普勒原理中得到了最基本的測量方法；絕大多數(shù)的星體運動的知識，包括雙星的特征，銀河系轉(zhuǎn)到的證明等等都是由多普勒效應(yīng)得出的。激光多普勒測速已經(jīng)成為一種重要的實用技術(shù)，是研究流體流動的強有力的手段，對運動物理的精細(xì)研究有重大意義。近年來不斷發(fā)展的航天航空事業(yè)，不斷精進(jìn)的軍事方面，乃至氣象學(xué)、醫(yī)學(xué)、交通等多方面都有重要的應(yīng)用。2011年在高新科技上，對多普勒效應(yīng)的研究有許多重要突破，來自瑞典、日本、法國和美國的科學(xué)家們第一次在一個全新的微

33、觀角度分子水平，觀察到多普勒效應(yīng)的作用1；澳大利亞科學(xué)家首次成功逆轉(zhuǎn)光學(xué)多普勒效應(yīng)，這一進(jìn)步有利于研制隱形斗篷2 。1 多普勒效應(yīng)的原理及表達(dá)式1.1機械波多普勒效應(yīng)及表達(dá)式多普勒效應(yīng)的驗證首先是通過聲學(xué)中驗證的，1845年荷蘭皇家氣象學(xué)院院長布依斯巴洛特對多普勒星體顏色發(fā)生變化的預(yù)言提出批評，他在鐵路上進(jìn)行了實驗，讓機車牽引一節(jié)平板車廂，車上安排了一對樂手在奏樂，作為聲源，當(dāng)火車快速行駛過來，由一些專業(yè)的音樂家憑借其敏感的聽覺判斷音樂的音調(diào)變化，然后音樂家和樂手對調(diào)位置，多次實驗觀察音調(diào)的變化，最終驗證了多普勒效應(yīng)在聲學(xué)上的正確性?，F(xiàn)在我們知道，在鐵路旁聽行駛中火車的汽笛聲，當(dāng)火車鳴笛而來時

34、，人們會聽到汽笛聲的音調(diào)變高相反，當(dāng)火車鳴笛而去時，人們則聽到汽笛聲的音調(diào)變低有這個我們來先提出多普勒效應(yīng)的概念：像這樣由于波源或觀察者相對于介質(zhì)有相對運動時，觀察者所接收到的波頻率有所變化的現(xiàn)象就叫做多普勒效應(yīng)。下面我們就來推導(dǎo)下機械波的多普勒效應(yīng)表達(dá)式：圖1 觀察者運動而聲源靜止 圖2 觀察者靜止，聲源運動觀察者接收到的頻率等于觀察者在單位時間內(nèi)接收到的完全波的個數(shù)，當(dāng)波以速度通過接收者時，時間內(nèi)通過的完全波的個數(shù)為因而單位時間內(nèi)通過接收者的完全波的個數(shù)，即接收的頻率 (1) 波源和觀察者都相對于介質(zhì)靜止（）：這時觀測者聽到的波源頻率和波源實際頻率相等。(2) 波源靜止，觀察者以速度相對于

35、介質(zhì)運動（）：，觀測者接收到的頻率大于波源實際頻率(3) 觀察者靜止，波源以速度相對于介質(zhì)運動（）：，觀測者接收到的頻率增加(4) 觀察者以速度和波源以速度相對于介質(zhì)運動（）：，觀測者接收到的頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于聲波實際頻率。1.2 相對論多普勒效應(yīng)及表達(dá)式在相對論情況下，如圖3所示，設(shè)一個波在點出發(fā)，經(jīng)過一段時間后，在點被接受。設(shè)波源速度為，與波射線方向夾角為，觀察者速度為與波射線方向夾角為，靜止參考系中的波速為。圖3下面分兩步進(jìn)行：首先求得在波發(fā)射的瞬間，波源測量它沿著波射線方向離開的速度為和觀察者測量到的此波沿波射線進(jìn)入觀察者的速度為；其次尋找波源測量波的波長和觀察者測得此波的波長之間的關(guān)系。（

36、1） 求速度關(guān)系由相對論速度合成關(guān)系，容易得到在波發(fā)射的瞬間，波源測量它沿著波射線方向離開的速度： （1） 其中，為光速。觀察者測量波沿波射線進(jìn)入的速度 （2）由（1）、（2）可得： （3）（二）尋找波長和之間的關(guān)系：尋找波長之間的關(guān)系，一定要找一個中間起連接兩個波長的量，因此我們不妨設(shè)一個中間固有波長，如果我們能夠求出波源相對于波的速度，根據(jù)相對論尺度收縮關(guān)系，知道波源測量的波長 （4）觀察者相對于波的速度為，由相對論尺度收縮關(guān)系，知道觀察者測量的波長 （5）則： （6）這里假設(shè)一般情況的波，不能直接假設(shè)是光波，如果是光波，則不能確定。由于波源相對于波的速度，與波相對于波源的速度大小相等；觀

37、察者相對于波的速度，與波相對于觀察者的速度大小相等。因此可以求出波相對于波源的速度和波相對于觀察者的速度。建立如圖4所示三個坐標(biāo)系：圖4 其中是靜止參考系，是波源參考系，是觀察者所處的參考系。設(shè)波源速度和觀察者速度方向與軸平行。根據(jù)前面假設(shè)：在靜止參考系中觀測，波源速度為，與波射線夾角為，觀察者速度為與波射線夾角為，速度為。根據(jù)相對論速度合成關(guān)系得，波相對于波源的速度為：， （7）波相對于波源的合速度大小即波源相對于波的合速度大?。?（8）化簡： （9）波相對于觀察者的速度： （10）同理可得波相對于波源的合速度大小即波源相對于波的合速度大小為： （11）將（9）、（11）代入（6）得到 （1

38、2）由（3）和（12）得 （13）綜上所述可得： （14）上式中為觀察者測量的波的頻率，為波的固有頻率。（14）式即為相對論情況下的多普勒效應(yīng)表達(dá)式。如果是光波，則，為光速； （15）令和，則上式變?yōu)椋?（16）這就是相對論情況下光波的多普勒效應(yīng)表達(dá)式3-5。2 多普勒測速實驗設(shè)計2.1多普勒測速原理在無色散的情況下，波在介質(zhì)中的傳播速度是恒定的，不會因波源（或者觀測者）運動而改變，但是波源（或者觀測者）相對介質(zhì)運動時，觀測者所接收到的頻率卻是可以改變的。這種由于波源或觀測者（或兩者）相對介質(zhì)運動而造成的觀測者接收頻率發(fā)生改變的現(xiàn)象，稱為多普勒效應(yīng)。目前，多普勒效應(yīng)已在科學(xué)研究、工程技術(shù)、交通

39、管理、醫(yī)療診斷、軍事技術(shù)等各方面有著十分廣泛的應(yīng)用。例如，在天體物理和受控?zé)岷司圩儗嶒炑b置中譜線的多普勒增寬已成為一種分析恒星大氣、等離子物理狀態(tài)的重要測量和診斷手段；在多普勒雷達(dá)、多普勒超聲血液流速測量計等方面得到應(yīng)用。為簡單起見，設(shè)波源或者觀測者的運動都在波源與觀測者的連線上，以表示觀測者相對介質(zhì)的速度，以趨近波源為正；以波源相對于介質(zhì)的速度，以趨近觀測者為正；介質(zhì)中的波速為；波源發(fā)射頻率為6-7。當(dāng)波源靜止，觀測者運動時，這時，波在內(nèi)相對于介質(zhì)行進(jìn)了距離，當(dāng)觀測者不運動時，波在內(nèi)相對于觀測者也行進(jìn)了距離，觀測者接收到的頻率為，由于觀測者運動，內(nèi)波相對觀測者行進(jìn)，觀測者接收到的頻率為： （

40、2.1）當(dāng)波源運動，觀測者靜止時，這時，波在內(nèi)相對于觀測者行進(jìn)的距離仍為，但由于波源的運動，使波長縮短為： 為周期，故觀測者接收到的頻率為： （2.2）當(dāng)波源和觀測者都運動時，只要把上述兩種情況結(jié)合起來，即可得到波源和觀測者都運動時觀測者收到的頻率為： （2.3） 如果兩者運動不在連線上，只要把速度在連線上的 分量算作、即可。在本實驗，運動系統(tǒng)屬于波源靜止、觀測者運動的情況，測量出波源發(fā)出的波頻率及觀測者觀測到的波頻率，波傳播速度已知為，根據(jù)公式（2.1）可得： （2.4）利用（2.4）可以計算出運動物體的速度。2.2實驗系統(tǒng)設(shè)計 由于超聲波具有波長短、易于定向發(fā)射、不會造成聽覺污染等優(yōu)點，所

41、以多普勒效應(yīng)測量速度實驗應(yīng)用超聲波產(chǎn)生多普勒效應(yīng)來測量運動物體的速度。實驗裝置主要由氣墊導(dǎo)軌、數(shù)字毫秒計、超聲換能器、SBZA專用信號源、GB9F電子管毫伏表、模擬電子放大器等組成。本實驗采用壓電陶瓷超聲換能器利用壓電效應(yīng)將專用信號源輸出的正弦振蕩電信號轉(zhuǎn)化成超聲振蕩，實驗時用一個換能器作為發(fā)射器，；另一個作為接收器，二換能器的表面互相平行，且諧振頻率匹配7。壓電陶瓷片是換能器的工作物質(zhì)，它是用多晶體結(jié)構(gòu)的壓電材料在一定的溫度下經(jīng)極化處理制成的。由于振子是以縱向長度的伸縮，這樣所發(fā)射的聲波，方向性強，平面性好8。 超聲多普勒效應(yīng)測速實驗設(shè)計如圖5所示：圖5 通過數(shù)字毫秒計測量出滑塊上遮光板經(jīng)過

42、光電門時遮光時間，用游標(biāo)卡尺測量出遮光板的寬度，利用公式計算出滑塊的運動速度，作為滑塊的實際速度，與公式（2.4）算出的速度相比較，得出多普勒測速的百分差。3多普勒效應(yīng)的應(yīng)用3.1多普勒測速多普勒測速儀是利用波的多普勒效應(yīng)這一原理制成的，其原理是利用波照射運動著的物體，運動物體反或散射波，由于存在多普勒效應(yīng)，反射或散射波將產(chǎn)生多普勒頻移，利用產(chǎn)生頻移的波與本振波進(jìn)行混頻再經(jīng)過適當(dāng)?shù)碾娮与娐诽幚砑纯傻玫竭\動物體的速度。我們假設(shè)多普勒測速儀靜止，運動物體的速度為,運動物體的運動方向與多普勒測速儀的測速方向在同一直線上，如圖6所示。 圖6下面我們以聲波和光波為例探討機械波測速與電磁波測速的異同。3.

43、1.1 聲波測速 為了得到多普勒測速儀所接收到的由于存在多普勒效應(yīng)而頻移的聲波頻率與運動物體運動速度之間的關(guān)系，我們分兩步進(jìn)行討論。第一步，多普勒測速儀發(fā)射聲波，運動物體接收到其所發(fā)射的聲波。在這個過程中，多普勒測速儀作為波源是靜止的，而運動物體作為波接收器以速度運動。設(shè)多普勒測速儀所發(fā)射的聲波頻率為，運動物體所接收到的聲波頻率為，聲波的傳播速度為，則由圖3及聲波多普勒頻移公式：得： （3.1）第二步，運動物體反射或散射聲波，多普勒測速儀接收到其所反射或散射的聲波。在這個過程中，運動物體作為波源以速度運動，而多普勒測速儀作為波接收器靜止。設(shè)多普勒測速儀接收到的聲波頻率為，由第一步我們知道，運動

44、物體所反射或散射的聲波頻率為，于是由圖6及聲波多普勒頻移公式： 得： （3.2） 把（3.1）式代人（3.2）式得： （3.3） 由（3.3）式得： （3.4） （3.4）式即為被測物體的運動速度與多普勒測速儀所發(fā)射的聲波頻率、多普勒測速儀所接收到的由于存在多普勒效應(yīng)而頻移的聲波頻率以及聲波的傳播速度之間的關(guān)系。3.1.2 光波測速為了得到多普勒測速儀所接收到的由于存在多普勒效應(yīng)而頻移的光波頻率與運動物體運動速度之間的關(guān)系，我們同樣分兩步進(jìn)行討論。第一步多普勒測速儀發(fā)射光波，運動物體接收到其所發(fā)射的光波。在這個過程中，多普勒測速儀作為波源是靜止的，運動物體作為波接收器是運動的，它們之間的相對速

45、度為。設(shè)多普勒測速儀所發(fā)射的光波頻率為，運動物體所接收到的光波頻率為，光波的傳播速度為，則由圖6及光波多普勒頻移公式：得： （3.5）第二步，運動物體反射或散射光波，多普勒測速儀接收到其所反射或散射的光波。在這個過程中，運動物體作為波源是運動的，多普勒測速儀作為波接收器靜止不動，它們之間的相對速度仍為。設(shè)多普勒測速儀接收到的光波頻率為，由第一步我們知道，運動物體所反射或散射的光波頻率為，于是由圖3及光波多普勒頻移公式： 得： （3.6） 將（3.5）式代人（3.6）式得： （3.7）由（3.7）式得： （3.8）（3.8）式即為被測物體的運動速度與多普勒測速儀所發(fā)射的光波頻率、多普勒測速儀所接收到的由于存在多普勒效應(yīng)而頻移的光