Efekt Dopplera dotyczy zarówno fal dźwiękowych, jak i fal dźwiękowych fale świetlne. Przeanalizujmy więc najpierw, czym jest efekt Dopplera światła.
Efekt Dopplera światła definiuje się jako zmianę częstotliwość światła widzianego przez obserwatora w wyniku względnego ruchu obserwatora i źródła światła. W rezultacie możemy powiedzieć, że efekt Dopplera w świetle zachodzi w taki sam sposób, jak w dźwięk.
Teraz, gdy wiemy już o efekcie Dopplera w świetle, przyjrzymy się relatywistycznemu efektowi Dopplera, jego formule, przykładom z życia wziętym i wielu innym rzeczom w tym artykule.
Jak efekt Dopplera działa na światło?
Światło zawsze porusza się z tą samą prędkością, niezależnie od zastosowanego układu odniesienia; jedyna zmiana dotyczy jego energii. Przyjrzyjmy się zatem, jak efekt Dopplera działa ze światłem.
Długość fali światła określa energię światła. Tak więc, gdy źródło i obserwator poruszają się względem siebie, długość fali światła emitowanego przez źródło zmienia się, gdy jest ono postrzegane przez obserwatora. Zjawisko to nazywane jest efektem Dopplera.
Efekt Dopplera dla lekkich przykładów:
Zjawisko efektu Dopplera w świetle występuje w prawdziwym życiu. Zobaczmy to na poniższych przykładach:
- Z powodu rozszerzania się wszechświata światło, które otrzymujemy od odległych obiektów (takich jak gwiazdy) jest przesunięte ku czerwieni.
- Prędkość przejeżdżającego samochodu jest mierzona przez fotoradar wykorzystujący efekt Dopplera światła.
Relatywistyczny efekt Dopplera dla światła:
Efekt Dopplera w świetle jest widoczny dzięki relatywistycznemu ruchowi obserwatora i źródła. Przyjrzyjmy się zatem bliżej relatywistycznemu efektowi Dopplera w świetle.
Obserwator otrzymuje falę z częstotliwością f lub długość fali 𝜆, gdy zarówno źródło, jak i obserwator są nieruchome. Załóżmy, że źródło światła w kadrze emituje światło o długości fali 𝜆s w czasie ts i oddala się od nieruchomej ramy z prędkością v. (założona jako stała).
Zgodnie z szczególna teoria względności teoria, zmiany w odstępach czasu i długości opierają się na względnym ruchu obserwatora. W ten sposób, stosując równanie transformacji Lorentza do względnie poruszającego się układu odniesienia, otrzymujemy następujące równanie długości fali mierzonej przez obserwatora:
(Gdy 𝑣 = ᥆, wtedy 𝜆o = 𝜆s)
Ale 𝜆 / t = c (gdzie c to prędkość światła)
Zatem powyższe równanie można zapisać jako:
Upraszczając powyższe równanie otrzymujemy długość fali obserwowaną przez obserwatora:
Równanie to zakłada, że źródło oddala się od obserwatora. Stąd prędkość v jest dodatnia, gdy źródło oddala się od obserwatora i ujemna, gdy źródło zbliża się do obserwatora.
Równanie to można wyrazić w następujący sposób w odniesieniu do częstotliwości źródła i częstotliwości obserwowanej:
fo = c / 𝜆o
A zatem,
Równania (1) i (2) są wymaganymi równaniami dla efektu Dopplera.
Przesunięcie ku czerwieni i przesunięcie ku błękitowi:
Częstotliwość światła określa jego kolor. Zmiana częstotliwości źródła i obserwatora spowodowana ich względnym ruchem to a przesunięcie ku czerwieni i blueshiftem. Przyjrzyjmy się, co to znaczy.
- Gdy źródło światła oddala się od obserwatora, obserwator otrzymuje falę o niższej częstotliwości niż źródło. Fakt, że kolor czerwony ma najniższą częstotliwość w widmie widzialnym, powoduje przesunięcie w stronę czerwonego końca widma. W astronomii nazywa się to przesunięciem ku czerwieni.
- Gdy źródło światła zbliża się do obserwatora, obserwator otrzymuje falę o wyższej częstotliwości niż źródło. Fakt, że kolor niebieski ma najwyższą częstotliwość w widmie widzialnym, powoduje przesunięcie w stronę niebieskiego końca widma. W astronomii nazywa się to przesunięciem ku błękitowi.
Wnioski:
Ten artykuł pokazuje nam, że będąc światłem falowym, podobnie jak w przypadku dźwięku, występuje efekt Dopplera. Zjawisko to występuje ze względu na względną prędkość emitera światła i obserwatora. Dochodzimy do wniosku, że wszechświat rozszerza się dzięki efektowi Dopplera światła.
