Hiệu ứng Đốp-ple là gì? Hiệu ứng Doppler gây ra hiện tượng?

Hiệu ứng Doppler là một hiện tượng vật lý đặt tên theo Christian Andreas Doppler có trong trương trình giảng dạy của bộ môn vật lý lớp 12. Không chỉ trong học tập, Các kiến thức về hiện tượng Doppler còn góp phần không nhỏ giúp chúng ta hiểu thêm về vũ trụ xung quanh mình.

Mục lục bài viết

1 1. Hiệu ứng Đốp-ple là gì?
2 2. Hiệu ứng Đốp-ple gây ra hiện tượng gì?
3 3. Ứng dụng của Doppler:
4 4. Bài tập về Doppler:

1. Hiệu ứng Đốp-ple là gì?

Hiệu ứng Đốp-ple là một hiệu ứng vật lý đặt tên theo Christian Andreas Doppler, trong đó tần số và bước sóng của các sóng âm, sóng điện từ hay các sóng nói chung bị thay đổi khi mà nguồn phát sóng chuyển động tương đối với người quan sát.

Sự thay đổi tần số sóng do nguồn sóng chuyển động tương đối so với máy thu như trên gọi là hiệu ứng Đốp – ple.

Công thức tổng quát là:

Trong đó

: vận tốc truyền âm trong không khí.

: vận tốc máy thu.

: vận tốc nguồn âm.

: tần số nguồn phát ra.

Với quy tắc : ” Lại gần tần số tăng, ra xa tần số giảm “

Ví dụ:

+ “Người nghe đứng yên, nguồn âm đi ra xa” thì ta lấy “dấu dưới”: => Ta được: + “Nguồn âm đứng yên, người nghe đi lại gần” thì ta lấy “dấu trên”: => Ta được:

* (b) Đối với “súng bắn tốc độ”:

+ “Súng bắn tốc độ đứng yên. Xe tiến lại gần súng bắn tốc độ” =>

+ “Súng bắn tốc độ đứng yên. Xe ra xa súng bắn tốc độ” =>

2. Hiệu ứng Đốp-ple gây ra hiện tượng gì?

Hiệu ứng Đốple gây ra hiện tượng thay đổi độ cao của âm khi nguồn âm của so với người nghe. Trong hiệu ứng Doppler thật ra tần số của nguồn sóng không bị thay đổi. Để hiểu rõ nguyên nhân tạo ra hiệu ứng Doppler, sự thay đổi tần số, ta lấy ví dụ của hai người ném bóng. Người A ném bóng đến người B tại một khoảng cách nhất định. Giả sử vận tốc trái bóng không đổi và cứ mỗi phút người B nhận được x số bóng. Nếu người A từ từ tiến lại gần người B, người B sẽ nhận được nhiều bóng hơn mỗi phút vì khoảng cách của họ đã bị rút ngắn. Vậy chính số bước sóng bị thay đổi nên gây ra sự thay đổi tần số.

3. Ứng dụng của Doppler:

3.1. Ứng dụng trong súng bắn tốc độ:

Trong súng bắn tốc độ, người ta sử dụng cơ chế radar và hiệu ứng Đốp-ple, phát ra một bước sóng radio có tần số xác định f0 rồi thu nhận tần số sóng radio f1 phản xạ ngược trở lại từ phương tiện tham gia giao thông đang di chuyển với vận tốc u. Từ f0 và f1 ta sẽ tính ra được vận tốc của phương tiện tham gia giao thông đó.

3.2. Trong y học:

Ngành y học cũng ứng dụng hiện tượng Đốp-ple để theo dõi tuần hoàn máu trong cơ thể Siêu âm Lý thuyết Đốp-ple đo dòng chuyển động máu trong mạch máu và các bộ phận cơ thể khác, giúp bác sĩ chẩn đoán chính xác bệnh tình và tình trạng sức khỏe của bệnh nhân. Kỹ thuật siêu âm Đốp-ple vượt trội hơn phương pháp siêu âm truyền thống ở khả năng đo lưu lượng máu ở một số bộ phận ( điều này siêu âm truyền thống không thực hiện được)

3.3. Trong Thiên văn học:

Trong thuật ngữ thiên văn, sóng đo được bởi một người quan sát nằm trước nguồn chuyển động được cho là bị “dịch chuyển xanh”. Tương tự, một người quan sát nằm đằng sau nguồn sẽ đo được bước sóng dài hơn bình thường, bức xạ này được cho là bị “dịch chuyển đỏ”. Thuật ngữ này còn được dùng đối với bức xạ không nhìn thấy được, trong đó, màu đỏ và màu xanh không có ý nghĩa gì. Bất kỳ sự dịch chuyển về phía bước sóng ngắn hơn (bước sóng giảm) được gọi là dịch chuyển xanh và bất kỳ sự dịch chuyển nào về phía bước sóng dài hơn (bước sóng tăng) được gọi là dịch chuyển đỏ.

Hiệu ứng Đốp-ple thường không đáng chú ý trong ánh sáng khả kiến trên Trái Đất, tốc độ ánh sáng quá lớn so với vận tốc mặt đất nên sự thay đổi bước sóng quá nhỏ đến mức không thể nhận thấy được. Tuy nhiên, bằng cách sử dụng các kỹ thuật quang phổ, các nhà thiên văn học thường xuyên sử dụng hiệu ứng Đốp-ple để đo vận tốc theo đường ngắm của các vật thể vũ trụ bằng cách xác định mức độ mà các vạch quang phổ đã biết được dịch chuyển sang bước sóng dài hơn hoặc ngắn hơn.

Hiệu ứng Đốp-ple có vị trí quan trọng trong thiên văn học vì nó cho phép khảo sát chuyển động của các thiên thể, đồng thời cũng cho phép ta xác định sự quay của các thiên thể. Chuyển động của các ngôi sao gần đó và các thiên hà xa xôi, thậm chí cả sự giãn nở của chính vũ trụ cũng đã được đo lường dựa vào hiệu ứng Đốp-ple.

Lý thuyết Đốp-ple được sử dụng để quan sát thời tiết và theo dõi chuyển động của mây hoặc các thay đổi thời tiết khác.

Ngoài ra, Lý thuyết Đốp-ple cũng như được sử dụng trong cả ngành hàng không và nghiên cứu phóng xạ.

4. Bài tập về Doppler:

Bài 1: (SGK Vật Lí 12 nâng cao): Khi người quan sát chuyển động ra xa nguồn âm, nghĩa là cùng chiều với sóng âm thì tốc độ dịch chuyển của một đỉnh sóng so với người quan sát là v − v_M. Từ đó, hãy suy ra tần số âm nghe được.

Lời giải:

+ Nếu người quan sát chuyển động ra xa nguồn âm với tốc độ vM, nghĩa là cùng chiều với chuyển động của các đỉnh sóng thì tốc độ di chuyển của đỉnh sóng so với người quan sát là (v − v_M).

+ Vậy trong thời gian 1 giây thì đỉnh sóng lại gần người quan sát một quãng đường là (v − v_M) và số lần bước sóng đã đi qua tai người là:

Tần số âm nghe được:

Bài 2: (SGK Vật Lí 12 nâng cao): Khi nguồn âm chuyển động ra xa máy thu, cũng lập luận tương tự như trên, chứng minh rằng bước sóng mới được tạo thành có chiều dài là:

A’₁A’₂ = (v + vS).T

Lời giải:

+ Ở thời điểm t = 0 nguồn âm phát ra một đỉnh sóng A’₁ truyền trong môi trường với tốc độ v, sau chu kì T đi được một khoảng v.T. Cũng trong khoảng thời gian đó, nguồn sóng di chuyển được 1 khoảng v_s.T cùng phương, ngược chiều chuyển động của đỉnh sóng và cách đỉnh sóng A’₁ một khoảng (v + v_s)T.

+ Đúng lúc đó, nguồn sóng phát ra một đỉnh sóng A’₂. Suy ra khoảng cách giữa 2 đỉnh sóng liên tiếp là: A’₁A’₂ = (v + v_s).T = (v + v_s )/f

A’₁A’₂ cũng là bước sóng mới được tạo thành có chiều dài là:

λ = A’₁A’₂ = (v + v_s).T

Bài 3: (SGK Vật Lí 12 nâng cao): Giải thích vì sao khi máy thu chuyển động lại gần nguồn âm thì âm ghi nhận được lại có tần số lớn hơn âm phát ra?

Lời giải:

Trong một thời gian t một đỉnh sóng lại gần người quan sát một đoạn đường s = (v + v_M).t. Số lần bước sóng qua tai người quan sát là:

Vậy trong 1s số lần bước sóng qua tai người quan sát là:

Câu 4: (SGK Vật Lí 12 nâng cao): Những tính chất nào của âm sẽ bị thay đổi khi nguồn âm chuyển động lại gần máy thu?

Lời giải:

Khi nguồn âm chuyển động lại gần máy thu thì:

– Tần số âm thu được tăng ⇒ độ cao của âm nghe được tăng.

– Cường độ âm thu được tăng ⇒ độ to của âm nghe được tăng.

Bài 5: (SGK Vật Lí 12 nâng cao): Hiệu ứng Đốp-ple gây ra hiện tượng gì sau đây?

A. Thay đổi cường độ âm chuyển động so với người nghe.

B. Thay đổi độ cao của âm khi nguồn âm chuyển động lại gần nguồn âm.

C. Thay đổi sắc âm sắc của âm khi người nghe chuyển động lại gần nguồn âm.

D. Thay đổi cả độ cao và cường độ âm khi nguồn âm chuyển động.

Lời giải:

Chọn B

Sự thay đổi tần số sóng do nguồn sóng chuyển động tương đối so với máy thu gọi là hiệu ứng Đốp-le.

– Khi nguồn âm đứng yên, người quan sát chuyển động lại gần, tần số âm nghe được:

– Khi nguồn âm chuyển động lại gần, người quan sát đứng yên, tần số âm nghe được là:

Bài 6: SGK Vật Lí 12 nâng cao): Trong trường hợp nào sau đây thì âm do máy thu ghi nhận được có tần số lớn hơn tần số của âm do nguồn âm phát ra?

A. Nguồn âm chuyển động ra máy thu đứng yên.

B. Máy thu chuyển động xa nguồn âm đứng yên.

C. Máy thu chuyển động lại gần nguồn âm đứng yên.

D. Máy thu chuyển động cùng chiều và cùng tốc độ nguồn âm.

Lời giải:

Chọn C

– Khi nguồn âm đứng yên, máy thu chuyển động lại gần, tần số âm máy thu nhận được:

Bài 7: (SGK Vật Lí 12 nâng cao): Một cái còi phát sóng âm có tần số 1000Hz chuyển động đi ra xa một người đứng bên đường về phía vách đá với tốc độ 10 m/s. lấy tốc độ âm trong không khí là 330 m/s. hỏi:

a) Tần số của âm người đó nghe trực tiếp từ cái còi.

b) Tần số của âm người đó nghe được khi âm phản xạ lại từ vách đá.

Lời giải:

a) Nguồn âm đi ra xa người nghe, vậy tần số âm nghe được tính theo công thức:

b) Âm phản xạ từ vách đá tiến lại gần người quan sát và người quan sát đang đi về phía vách đá, tức là đi lại gần nguồn âm phản xạ. Vậy người đó nghe được âm có tần số là: