知识点:声音的响度与声源振动的幅度有关,振幅越大,响度越大,反之,亦然。此外,响度还与距离声源的远近有关,距离发声体越近,响度就越大,反之会越小。
在你生活的城市里,一定有铁路吧。如果火车道与马路有交叉,每次火车快要到来的时候,执勤的工作人员就会放下栏杆,并在喇叭里一遍遍地放着录音:“火车就要开过来了,请大家不要抢行,不要翻越栏杆……”其实,这时你可以不必在意那恼人的喇叭声,而是注意去听火车的汽笛声。你会发现这个声音开始时很尖锐,“哔——”,声音越来越大,而当火车从面前呼啸而过,突然之间,火车的汽笛声变得低沉,听上去像“呜呜——”,接着,声音就变得越来越小……如果你仔细观察,这是一个非常有意思的现象。这背后的原理叫做“多普勒效应”。
多普勒效应是为了纪念奥地利物理学家以及数学家克里斯汀·约翰·多普勒,他在1842年首先提出这一理论,于是以他的名字命名。
为了说清这个原理,首先介绍一下频率的概念。频率是用来描述振动的快慢。“振动”是指物体某一部分围着一个平衡位置,做往复的周期性的运动,这和表示“颤抖、颠簸”的“震动”是不一样的。单位时间内,物体往复运动的次数就是频率。我们平时听到的声音是一种机械波,是声源产生机械振动,带动空气以相同的频率振动,声音通过空气这种媒介向外传播,没有空气这种媒介的真空里面是听不到声音的。
这个过程就像你用手在水池中摆动,就会激起一圈圈涟漪向外扩散。数数每秒钟有多少条波纹到达了池边,就相当于这水波的频率,这个频率应该是和你的手每秒摆动的次数一样的。
假定火车汽笛声的频率是1000Hz(即每秒振动1000次),当火车迎面向你开来时,由于声源的运动,在声源前进的方向上声波被压缩了。如果把声波的波峰比作一个个肥皂泡,原本每秒有1000个“肥皂泡”到了你的耳中,现在在1秒之内火车又向前开了100米,又有200个“肥皂泡”到达你的耳中,于是你每秒实际接收到1200个“肥皂泡”,也就是说听到的声音是1200Hz,要高于声源本来的频率,所以声音会变“尖”。类似的道理,当火车远离你而去的时候,原本每秒有1000个“肥皂泡”到达耳中,可是在这一秒里“肥皂泡”都还要随着火车向前跑,自己“向后跑”的速度小了,实际每秒只有900个“肥皂泡”到耳中,低于声源频率,所以声音会变“低沉”。这个现象在火车从面前经过的那一刻特别明显。
不仅是声波,电磁波也有“多普勒效应”。光也是一种电磁波,在天文学上,离我们无比遥远的恒星发出的光到达地球,如果频率增加,说明恒星在接近我们,称为“蓝移”;如果频率降低,说明恒星在远离我们,称为“红移”。所谓“红蓝”,是由于在可见光谱中红色频率较低,蓝色频率较高,形成的习惯说法。多普勒效应用于医学,最典型的就是“彩超”,能够检测心脏、血管运动状态。多普勒效应用于雷达上则能够判断目标的运动状态。
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