도플러 효과와 허블의 법칙이란 무엇인가요?

도플러 효과는 1842년 이 이론을 처음 제안한 오스트리아의 물리학자이자 수학자 크리스티안 요한 도플러의 이름을 따서 명명되었습니다. 도플러는 광원과 관찰자의 상대적인 움직임으로 인해 물체의 방사선 파장이 변한다고 믿었습니다. 움직이는 파동원 앞에서는 파동이 압축되어 파장이 짧아지고 주파수가 높아집니다(청색편이). 움직이는 파동원 뒤에는 반대 효과가 발생합니다. 파장은 길어지고 주파수는 낮아진다(적색편이). 파동 소스의 속도가 높을수록 효과가 커집니다. 광파의 적색/청색 편이 정도에 따라 관찰 방향으로 이동하는 파원의 속도를 계산할 수 있습니다. 별의 스펙트럼 선의 변화는 별이 관측 방향으로 얼마나 빨리 움직이는지를 보여줍니다. 파동의 근원이 빛의 속도에 매우 가깝게 움직이지 않는 한, 도플러 편이의 크기는 일반적으로 작습니다. 도플러 효과는 광파를 포함한 모든 파동 현상에 존재합니다.

도플러 효과에 대한 자세한 설명

도플러 효과는 파동의 근원이 관찰자를 향해 움직일 때 파동의 수신 주파수가 높아지고, 관찰자를 향해 움직일 때 수신 주파수가 낮아지는 것을 말합니다. 파동원은 관찰자로부터 멀어진다. 관찰자가 움직일 때도 동일한 결론에 도달할 수 있습니다. 그러나 실험 장비가 부족하여 당시에는 도플러가 실험적으로 검증되지 않았습니다. 몇 년 후 누군가 트럼펫 연주자 팀에게 플랫베드 트럭에서 연주하도록 요청한 다음 훈련된 음악가에게 귀를 사용하여 변화를 확인하도록 요청했습니다. 효과를 검증하기 위한 피치입니다. 원래 파동원의 파장을 λ, 파동 속도를 c, 관찰자의 이동 속도를 v라고 가정하면:

관찰자가 파원에 접근할 때 파동원의 관측 주파수는 ( v c)/λ. 관측자가 멀리 떨어져 있는 경우 관측된 파원 주파수는 (v-c)/λ입니다.

흔히 사용되는 예는 기차가 관찰자에게 다가갈 때 울리는 기적 소리가 평소보다 더 날카롭게 들리는 것입니다. . 경찰차 사이렌이나 경주용 자동차 엔진도 마찬가지다.

음파를 일정한 간격으로 방출되는 펄스로 생각하면, 한 걸음을 내딛을 때마다 펄스를 방출하면 앞에 있는 모든 펄스가 가만히 서 있을 때보다 더 가깝다고 상상할 수 있습니다. . 뒤에 있는 음원은 정지해 있을 때보다 한 걸음 더 멀리 떨어져 있습니다. 즉, 당신 앞의 펄스 주파수는 평소보다 높고, 당신 이후의 펄스 주파수는 평소보다 낮습니다.

도플러 효과는 음파에만 적용되는 것이 아니라 전자파를 포함한 모든 종류의 파동에 적용됩니다. 과학자 Edwin Hubble은 도플러 효과를 사용하여 우주가 팽창하고 있다는 결론을 내렸습니다. 그는 은하수에서 멀어지는 천체에서 방출되는 빛의 주파수가 낮아지는 것을 발견했습니다. 즉, 물체가 은하수를 더 빨리 떠날수록 스펙트럼의 빨간색 끝쪽으로 이동한다는 것을 발견했습니다. 적색 편이가 더 커지면 이러한 물체가 은하수에서 멀어지고 있음을 나타냅니다. 반대로, 물체가 은하수를 향해 움직이면 빛은 파란색으로 변합니다.

이동통신에서는 이동국이 기지국을 향해 접근하면 주파수가 높아지고, 기지국에서 멀어지면 주파수는 낮아지기 때문에 도플러 효과를 충분히 고려해야 한다. 이동통신. 물론 일상생활에서 이동속도의 한계로 인해 매우 큰 주파수 오프셋을 발생시키는 것은 불가능하지만, 이는 이동통신에 영향을 미칠 것이라는 점은 부인할 수 없습니다. 다양한 기술적인 고려를 해야 했습니다. 또한 이동통신의 복잡성도 증가합니다.

단색의 경우 우리가 눈으로 인지하는 색상은 광파의 진동수, 즉 전자기장이 1초에 바뀌는 횟수로 설명할 수 있습니다. 가시광선 영역에서는 효율이 낮을수록 빨간색을 띠는 경향이 있고, 주파수가 높을수록 청자색을 띠는 경향이 있습니다. 예를 들어, 헬륨-네온 레이저에 의해 생성된 밝은 빨간색은 4.74×10^14Hz의 주파수에 해당하는 반면, 수은 램프의 보라색은 7×10^14Hz 이상의 주파수에 해당합니다. 동일한 원리가 음파에도 적용됩니다. 소리가 높거나 낮다는 인식은 소리가 고막에 압력을 가하는 진동 주파수에 해당합니다(고주파 소리는 날카롭고 저주파 소리는 약해집니다).

파원이 정지해 있는 경우 고정 수신기에 의해 수신된 파동은 파동원에서 방출되는 파동과 동일한 리듬으로 진동합니다. 즉, 송신 주파수는 수신 주파수와 같습니다. 파동의 근원이 수신기에 대해 상대적으로 움직이는 경우(예: 서로 멀어지는 경우) 상황은 다릅니다. 수신기에 비해 파동원에 의해 생성된 두 파동 정점 사이의 거리가 길어지므로 두 파동 정점이 수신기에 도달하는 데 걸리는 시간도 길어집니다. 그런 다음 수신기에 도달하면 주파수가 감소하고 인식된 색상이 빨간색으로 이동합니다(파동의 소스가 수신기에 더 가까워지면 반대가 됩니다). 독자에게 이 효과의 크기에 대한 아이디어를 제공하기 위해 상대 속도 변화에 따라 움직이는 광원이 수신하는 주파수를 대략적으로 나타내는 도플러 편이가 표시됩니다. 예를 들어 위에서 언급한 헬륨-네온 레이저의 적색 스펙트럼 선에서 파동원의 속도가 빛 속도의 절반과 같을 때 수신 주파수는 4.74×10^14Hz에서 4.74×10^14로 떨어집니다. 이 값은 적외선 주파수 대역으로 크게 떨어졌습니다.

음파의 도플러 효과

일상 생활에서 우리 모두는 다음과 같은 경험을 합니다. 기적 소리를 내는 기차가 지나가면 관찰자는 기차의 기적 소리를 알아차릴 것입니다. 높음에서 낮음으로 변경되는 이유는 무엇입니까? 이는 음파의 진동수 차이에 따라 음높이가 결정되기 때문입니다. 주파수가 높으면 소리가 높게 들리고, 그렇지 않으면 소리가 낮게 들리는 현상을 도플러 효과라고 합니다. Christian이 발견했습니다. 1842년에 이 효과를 처음 발견한 오스트리아의 물리학자이자 수학자인 도플러의 이름을 따서 명명되었습니다. 이 현상을 이해하기 위해서는 기차가 일정한 속도로 접근할 때 경적에서 나오는 음파의 전파 패턴을 조사할 필요가 있다. 그 결과 음파의 파장이 짧아진다. 따라서 일정 시간 간격으로 전파되는 음파는 파동 수가 증가하므로 관찰자는 음조가 높아지는 것을 경험하게 되며, 반대로 기차가 멀어질수록 음파의 파장이 커지게 됩니다. 파도가 뻗어나가고 있습니다. 따라서 소리가 낮게 들립니다. 정량 분석에서는 f1=(u v0)/(u-vs)f가 나옵니다. 여기서 vs는 매질에 대한 파동원의 속도이고, v0는 매질에 대한 관찰자의 속도입니다. f는 파동원의 속도를 나타내고, u는 정지 매체에서 파동의 전파 속도를 나타냅니다. 관찰자가 파동원을 향해 움직일 때 v0는 파동원으로부터 멀어질 때 양의 부호를 취합니다. 는 파동원을 따라) v0는 음의 부호를 취합니다. 관찰자가 움직일 때 vs는 음의 부호를 가지며, 전방 파동원이 관찰자로부터 멀어지면 vs는 양의 부호를 갖습니다. 위의 공식으로부터 관찰자와 음원이 서로 가까울 때 f1>f, 관찰자와 음원이 멀리 떨어져 있을 때, 임을 쉽게 알 수 있습니다. f1

광파의 도플러 효과

이 효과는 파동 같은 빛에서도 발생하는데, 이를 도플러-피조 효과라고도 부르기 때문입니다. 프랑스 물리학자 피조(1819~) 1896)은 1848년에 별로부터의 파장 이동을 독립적으로 설명하고, 이 효과를 별의 상대 속도를 측정하는 데 이용하는 방법을 지적했습니다. 별이 우리에게서 멀어지면 빛의 스펙트럼 선이 빨간색 빛의 방향으로 이동합니다. 이를 적색 편이라고 합니다. 보라색 빛의 이동 방향을 파란색 이동이라고 합니다.

빛의 도플러 효과의 응용

1920년대 미국의 천문학자 슬리퍼는 적색편이가 방출하는 스펙트럼을 연구하면서 처음으로 스펙트럼을 발견했습니다. 나선형 성운은 지구에서 빠르게 멀어지고 있습니다. 1929년에 허블은 광학적 적색 편이에 기초한 유명한 허블의 법칙을 요약했습니다. 은하의 멀어지는 속도 v는 지구로부터의 거리 r에 비례합니다. 즉, v=Hr이고 H는 허블 상수입니다. 허블의 법칙과 그에 따른 더 많은 천체의 적색편이 결정에 따르면, 우주는 오랜 기간에 걸쳐 팽창해 왔으며 물질의 밀도는 점점 작아지고 있다고 믿어집니다. 따라서 우주의 구조는 특정 순간 이전에는 존재하지 않았으며 진화의 산물일 수밖에 없습니다.

따라서 G. Gamow와 그의 동료들은 1948년에 빅뱅 우주 모델을 제안했습니다. 1960년대부터 빅뱅 우주 모델은 점차 널리 받아들여졌으며 천문학자들에게는 우주의 "표준 모델"이라고도 불립니다.

도플러-피조 효과를 이용하면 지구로부터 어떤 거리에 있는 천체의 움직임도 연구할 수 있습니다. 이는 수신된 빛의 스펙트럼을 분석하는 것뿐입니다. 1868년 영국의 천문학자 W. 허긴스(W. Huggins)는 이 방법을 사용하여 시리우스의 시선 속도(즉, 물체가 우리에게서 멀어지는 속도)를 측정하여 46km/s의 속도 값을 얻었습니다.

음파의 도플러 효과 응용

음파의 도플러 효과는 의료 진단에도 활용될 수 있는데, 이를 흔히 컬러 초음파라고 부릅니다. 간단히 말해서, 컬러 초음파는 고화질 흑백 B-초음파에 컬러 도플러를 더한 것입니다. 먼저 초음파 주파수 편이 진단 방법, 즉 D-초음파에 대해 설명하겠습니다. 음원과 수신기(예: 프로브와 반사경 사이에 상대적인 움직임이 있으면 에코의 주파수가 변경됩니다. 이러한 주파수 변화를 주파수 이동이라고 합니다. D-초음파에는 펄스 도플러, 연속 도플러 및 컬러 도플러 혈류 이미지가 포함됩니다. . 컬러 도플러 초음파는 일반적으로 도플러 신호 처리를 위해 자기 상관 기술을 사용합니다. 자기 상관 기술로 얻은 혈류 신호는 색상으로 구분되어 2차원 영상에 실시간으로 중첩되어 컬러 도플러 초음파 혈류 영상을 형성합니다. 컬러 도플러 초음파(즉, 컬러 도플러 초음파)는 2차원 초음파 구조 이미지의 장점을 가질 뿐만 아니라 혈류역학에 대한 풍부한 정보를 제공한다는 사실을 알 수 있으며, 그 실제적인 응용은 널리 평가되고 환영받고 있습니다. 임상에서 "비침습적 혈관조영술"을 위해.

1929년에 에드윈 허블은 은하계 외 은하계의 시선 속도와 거리 사이의 관계를 연구했습니다. 그 당시에는 46개의 은하외 은하의 시선 속도만 이용 가능했으며, 그 중 24개만이 거리를 계산했습니다. 허블은 시선 속도와 거리 사이의 대략적인 선형 비례 관계를 도출했습니다. 현대의 정확한 관측을 통해 이러한 선형 비례 관계가 확인되었습니다.

v = H0×d

여기서 v는 후퇴 속도, d는 은하까지의 거리, H0는 비례 상수입니다. , 허블 상수 라고 합니다. 이것이 그 유명한 허블의 법칙이다.

허블의 법칙은 우주가 끊임없이 팽창하고 있음을 보여줍니다. 이 확장은 전체 공간의 균일한 확장입니다. 따라서 어떤 지점에서든 관찰자는 정확히 동일한 확장을 볼 수 있습니다. 모든 은하계는 이를 중심으로 모든 방향으로 퍼져나가고, 은하계가 멀어질수록 서로 더 빠르게 퍼져 나갑니다.

jsoi@vip.sina.com

허블이 실험을 수행했을 때 그는 처음에 은하 사이의 거리와 적색편이를 연구했습니다. 이 데이터를 통해 그는 각 은하계의 속도를 측정할 수 있었고 허블의 법칙으로 알려진 거리와 속도 사이의 선형 관계를 발견했습니다. 허블의 법칙은 다음 방정식으로 표현됩니다.

v = Hd

v는 은하의 후퇴 속도, H는 허블 상수, d는 은하까지의 거리입니다. d가 증가하면 v도 증가합니다.

온라인에서 찾았는데 도움이 되길 바랍니다