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多普勒效应和狭义相对论有啥关系,矛盾吗?很多人说爱因斯坦错了

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发表于 2020-2-13 16:46:36 | 显示全部楼层 |阅读模式
多普勒效应和狭义相对论有啥关系,矛盾吗?很多人说爱因斯坦错了

他俩并不矛盾。但是光要需要考虑时间膨胀,容我慢慢道来。

多普勒分为:人动,源不动;人不动,波源动。

人动,源不动

搞清楚一点就行,波不变。因为波源没动,波靠空气这种介质传播,空气也没换,人的运动并不会影响波的一切,包括介质、波速、频率。不管有没有你,这个波都照样传。多普勒效应中人向声源移动频率变高,这里的频率指的是人的接收频率,非波的频率。那为什么人向波源移动接收频率高?

可以理解为相遇(追击)问题。

什么是频率,就是一个人腿短,但是两腿换得快。






另一个人腿长,但是换腿换得慢,两人赛跑,虽然速度一样,同时到达终点,腿短的频率高。

当人向着波源移动时,相对速度是波速和人运动速度之和,速度快了,波长没变,频率就升高了。

如果我们把波源比做一个车站,波就像一列很长的的小火车,从车站匀速驶出。

情况一:观察者不动,波源不动,当你在车站外的轨道边时,1秒钟有5个车厢从你身边飞过。

情况二:波源不动,观察者动了,当你坐在另一辆准备进站的火车上,正好与刚才那辆车出站的火车迎面而过,1秒钟从你身边飞驰而过的车厢肯定大于5个。相同时间车厢过去的多了,所以频率就高了。

反之:当你远离波源运动,频率就小了。

人不动,波源动。

波源动了,所以波变了。人没动,人只管等着听,人接收到的频率是波给的,而波的频率,取决于波源的运动速度,所以我们要研究的是波的运动导致波的频率的变化。

最容易出错的地方:波速取决于介质,如果介质没有变(或者不依靠介质),波速是不变的。

电磁波真空中的传播速度约为30*10^8m/s,在空气中相差无几,也按这个记就行。

声波在1个标准大气压和15°C的条件下约为340m/s,温度越高,传播速度越大。

变得是频率与波长,就像上面说的腿短和腿长的人同时到达终点,腿短一步的距离小(波长短),但是跨步的速度快(频率快)。腿长,一步的距离大(波长长),但是跨步的速度慢(频率快),两人赛跑,同时到达终点,速度一样(波速一样)。



波源向接收者移动时,我们还用跑步来做比喻。我们以前体育课跑1km比赛时,老师一般不让学生同时从起点仪器跑,都是间隔一个一个跑,然后用秒表分别计时。我们假设每个同学跑得一样快2m/s(波速相同),第一个同学跑出去5秒后,相当于跑出去10米(波长)后第二个同学开始跑。

但是有一天情况变了,体育老师开着车拉着同学们,第一个同学下车立刻相同速度2m/s,跑了相同间隔时间5s后第二个同学下车跑。不同的是车也有速度1m/s,当第一个同学跑出去10米,车同时行驶了5米,也就是第二个同学跟第一个同学相距5米,间隔变小了(波长变小了)。

当同一起点时(波源不动),波长是10米,终点位置每隔5秒能接收到一个人。

当波源变成汽车移动时,波长由10米变成了5米。终点每隔2.5秒就能接到一个人,接到人的频率变高了。

反之车往相反的方向开,间隔变成了两个人的变成15米,终点每隔7.5秒才能接到一个人,频率变低了。



光是什么情况?

光是一种电磁波,能看见的光叫做可见光。电磁波是广义的光,分为可见光,不可见光,不可见光就是各种射线,红外线,紫外线等等。红光波长长,频率低,蓝光波长短,频率高。

光还有个特性,当一束出现,无论是开着高速飞船或者静止的人,他们观察到的光速都是一样的。

所以光不是简单的波速不变,而是波的相对速度也不变,只有波长和频率会改变。

听不明白了?例子说明:

当一艘飞船接近光速飞行,他打开前灯一瞬间,地球上的你观察到的灯光速是C,飞船速度接近光速C,两个都跑得都很快,所以光和飞船的差距是在慢慢拉大的,这是你看到的。

但是船上的驾驶员,是懵圈的。因为即使飞船速度接近光速了,灯打开一瞬间,灯光早就以相对于飞船的速度C,跑得远远的,也就是说无论是地球上的你看到的光速,还是飞行中的飞船看到的光速相对自己都是C。

说明什么?地球上的观察者看到的是飞船的慢速播放呀!飞船上的时间流速和地球上的时间流速不是同步的。

这就是爱因斯坦《狭义相对论》的时间膨胀效应。

上面说到的频率,飞船上的人看到它给出去的光的频率是这样的:

而地球上的你观察到的频率是:

所以光的多普勒效应需要考虑时间膨胀的变换。

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