多普勒效應(yīng)
當(dāng)你站在公路旁,留意一輛快速行駛汽車的引擎聲音,你會(huì)發(fā)現(xiàn)在它向你行駛時(shí)聲音的音調(diào)會(huì)變高（即頻率變高）,在它離你而去時(shí)音調(diào)會(huì)變得低些（即頻率變低）.這種現(xiàn)象叫做多普勒效應(yīng).在光現(xiàn)象里同樣存在多普勒效應(yīng),當(dāng)光源向你快速運(yùn)動(dòng)時(shí),光的頻率也會(huì)增加,表現(xiàn)為光的顏色向藍(lán)光方向偏移（因?yàn)樵诳梢姽饫?藍(lán)光的頻率高）,即光譜出現(xiàn)藍(lán)移；而當(dāng)光源快速離你而去時(shí),光的頻率會(huì)減小,表現(xiàn)為光的顏色會(huì)向紅光方向偏移（因?yàn)樵诳梢姽饫?紅光的頻率低）,即光譜出現(xiàn)紅移.
在進(jìn)一步研究多譜勒效應(yīng)之前,先讓我們了解一下有關(guān)波的基本知識(shí)：
如果我們將一個(gè)小石塊投入平靜的水面,水面上會(huì)產(chǎn)生陣陣漣漪,并不斷地向前傳播.這時(shí)波源處的水面每振動(dòng)一次,水面上就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)新的波列.
設(shè)波源的振動(dòng)周期為T,即波源每隔時(shí)間T振動(dòng)一次,則水面上兩個(gè)相鄰波列之間的距離就為VT,其中V是波在水中的傳播速度.在物理學(xué)中我們把這一相鄰波列之間的距離稱為波長,用符號(hào)λ表示.這樣,波的波長、波速及振動(dòng)周期三者的關(guān)系就可表示為：λ=VT （1）
由于波源振動(dòng)一次所需的時(shí)間為T,則波源在單位時(shí)間內(nèi)振動(dòng)的次數(shù)就為1/T.物理學(xué)上,把波源在單位時(shí)間內(nèi)振動(dòng)的次數(shù)稱為波的頻率,用f表示.這樣,它和周期的關(guān)系就可表示為f=1/T,或T=1/f （2）
綜合（1）式和（2）式可得：λ=VT=V/f （3）
此式是我們討論與波有關(guān)問題的基本公式,雖然是對(duì)水波的傳播總結(jié)出來的,但它對(duì)一切波都適用.
實(shí)驗(yàn)研究表明：對(duì)于確定的介質(zhì),波的傳播速度V是一個(gè)定值.所以,當(dāng)波在某一確定的介質(zhì)中傳播時(shí),它的波長λ與它的周期成正比（與頻率成反比）.即波的頻率越高,周期越小,其波長越短；反之,波的頻率越低,周期越大,其波長越長.
對(duì)聲波而言,聲音的頻率決定著聲音的音調(diào).即聲波的頻率越高,聲波的音調(diào)也越高,聲音也越尖、越細(xì),甚至越刺耳.根據(jù)上述的結(jié)論,產(chǎn)生高音的聲源振動(dòng)較慢,振動(dòng)周期長,對(duì)應(yīng)聲波的波長也較長.例如：10000Hz的聲波的波長是100Hz聲波波長的1/100.
而在可見光中,光波的頻率決定著色光的顏色.頻率由低到高依次對(duì)應(yīng)紅、橙、黃、綠、藍(lán)、靛、紫.其中紅光頻率最低,波長最長；紫光的頻率最高,但波長最短.
下面我們就結(jié)合以上的背景知識(shí)一起來探究一下有關(guān)光的多譜勒效應(yīng)：
假設(shè)有個(gè)光源每隔時(shí)間T發(fā)出一個(gè)波列,即光源的周期為T.如圖,當(dāng)它靜止時(shí)相鄰兩個(gè)波列時(shí)間間隔為 T,距離間隔為 λ=cT
式中c表示光速.
當(dāng)光源以速度V離開觀察者時(shí),在每兩個(gè)相鄰的波列之間的時(shí)間里光源移動(dòng)的距離為VT,于是下一個(gè)波峰到達(dá)觀察者所需的時(shí)間便增加了VT/c,所以,相鄰的兩個(gè)波峰到達(dá)觀察者那里所需的時(shí)間就為：
T’=T+VT/c>T
即這時(shí)相對(duì)于觀察者而言,光波的周期變長了,頻率變低了.根據(jù)上面關(guān)于頻率于光色之間的關(guān)系可知,次光的顏色會(huì)向紅光偏移.物理學(xué)上,把這一現(xiàn)象稱為紅移.
這時(shí)到達(dá)觀察者那里的兩個(gè)相鄰的波列的距離,即波長就變?yōu)?λ’=cT+VT
即波長變長了.這兩個(gè)波長的比值為 λ’/λ= T’/T=1+V/c
即波長增加了V/c,我們把這個(gè)相對(duì)增加量就成為紅移量,它取決于光源的遠(yuǎn)離速度.由于一般情況下V