多普勒效应是动态吗（你听注意听）

觉得看到以人名命名的这种XX效应、XX定理、XX定律就烦的人请举手。

嗯，嗯，我都看到了。我也知道大家都跟我差不多，但是今天说的这个效应会很有意思哦，多普勒效应，似乎都在高深的科学杂志上才能看到的东西，乍一看逼格很高，其实很好懂，所以结论就是阅读本文性价比很高。

小时候有没有在家乡的铁轨边呆呆地看着呼啸的火车疾驰而过？

长大了有没有在三环的天桥上呆呆地看着嗖嗖的汽车络绎不绝？

有一个共同的现象有没有发现？

对，看的人始终都是你。

……

我说的是另外一个共同现象。

就是不管火车也好，汽车也好，朝你过来的时候，它们的汽笛或者喇叭的声音都会比较尖细吧？

而它们从你身边风一样飘过以后，不断离你远去的时候，声音是不是变得比较低沉了？

把整个过程连贯起来，是不是呈现出一个“咦～哟～”的声音？

文字表达不出声音，此处请认真脑补。

这是怎么回事呢？声音本身应该没变呀，那是啥情况，幻听了？

不，孩子，这是多普勒效应。

【声音】

大家都知道，声音是由于物体振动产生的。

那么什么叫尖细的声音？什么叫低沉的声音？

尖细的声音就是振动的比较快，低沉的声音就是振动的比较慢。

比如女生的声带相对比较短，振动起来就快，声音就相对尖一些，或者说音调高一些。

而男生的声带相对比较长，振动起来就慢，声音就相对沉一些，或者说音调低一些。

一个更实用的例子是，蜜蜂嗡嗡嗡是翅膀振动发出来的声音；自然空手（空翅膀）的时候振动快，带着花蜜的时候振动就慢了（负重，振不动了），所以有经验的养蜂人一听嗡嗡嗡的声音就知道，它是马上要去采蜜，还是已经在回来的路上了。

注意，音调高低说的都是音调，跟声音的响度和音色都无关。

好，回顾完这个初中物理知识，现在我们来想下，为什么火车或者汽车会“咦～哟～”一下过去呢？

【运动的叠加】

假设有条小狗在疾驰的火车上顺着火车前进的方向跑，这时它相对于地面的速度是多少？得是火车的速度加上它的移动速度，对吧？

如果它是在逆着火车前进的方向跑呢？这时它相对于地面的速度就是火车的速度减去它的移动速度了。

对，这条小狗就是火车汽笛的声音。

鸣笛的火车向着地面上静止的人驶去时，汽笛的声波可以借火车前进之力的基础上，再向前传播，速度就是音速（声音在空气中传播的速度）再加上火车的速度（两股力量加成以后就出来一个暴击，都懂的），显然这个结果是大于音速本身的，速度的提升就导致频率的提升，所以地面上这个人听到的声音就是尖细的。

经过此人身边以后离开此人时，同样的声波现在变成要克服火车行进之力，再传播到人耳朵里，汽笛的声波传播的速度就是音速减去火车的速度了，这个结果是小于音速的，速度的降低就导致频率的降低，所以地面上这个人听到的声音就变得低沉了。

速度的变化就导致了频率的变化。

这就是多普勒效应的本质：运动着的物体在传播声音时，它本身的运动速度也会参与到静止的观察者的听觉结果里去，对最终产生的声音的音调产生影响：

如果这个物体一边发声一边接近你，那么你听到的声音就是尖细的；反之，如果它一边发声一边离开你，那么你听到的声音就是低沉的。

【两个注意点】

注意点一：这里说的速度的变化，说的是相对于站在静止地面上的观察者（其实应该叫做倾听者或者听风者？）而言的；如果对同在火车上的另一个观察者而言，则显然声音的速度没有变过，声音的音调也不会有变化的。

注意点二：很多时候我们分辨不出其中的细微区别，原因在于这个运动物体的运动速度相对于音速来说太小了，小到可以忽略不计的程度。

比如你一边走路一边吹口哨经过路边站着的一个美女，然后你还要问她有没有听出来口哨声发生了变化？

美女会告诉你，小伙子你走的太慢了，2米/秒的步行速度相对于340米/秒的音速来说，那叫做年三十的凉菜，有没有都一样。

真要让我听出多普勒效应来，你不妨试试比如把速度提高到20米/秒以上。

顺便说一句，20米/秒，也就合72千米/小时。

这就是为什么汽车和火车的鸣笛声会有明显的多普勒效应，而你走路吹口哨没有。其实不是没有，是有的，只是听不出来。

【最典型的应用】

这个效应有啥用？

太有用了啊，你靠听声音就能知道这列火车是正要过来还是刚刚离开！

……

——废话，我不会用眼睛看啊？！

——那看不出来或者看不到的时候呢？这不就派上用场了嘛。

——那我要闭眼识别火车的方向做什么？

……

玩笑归玩笑，多普勒效应最经典的作用是在天文学里。

如何判断一颗离我们很远很远很远很远的星星（恒星）的运动方向？

如果它相对于地球的天幕而言是横着运动的，那我们可以明显看出其轨迹：今天晚上它在左边的天空，两个月以后跑到中间了，再来三个月它跑到右半边天空去了，那我们就知道，他相对于地球就是从左到右运动的。

但是如果要研究它在朝着地球的方向上运动的规律呢？比如今晚它在这个位置，两个月以后还在这儿，三年后它还在这儿。

我们如何判断它是不动的，还是正在向我们跑来，还是正在离我们远去呢？

通过测量它的大小？刚刚说了，它离我们很远很远很远很远啊，测它的大小，也许三五十年都没有明显区别……

感到棘手了吧，这就是多普勒效应大显身手之处。

但在正式开始之前，我们要有个小小的准备工作，就是先比较下光线和声音。

对于声音而言，振动的快慢影响的是音调；那对于光线而言，振动的快慢影响的是什么呢？是颜色。

光线的色谱，大家大概知道的，不知道的可以参考葫芦娃穿衣服颜色的顺序，叫做赤橙黄绿青蓝紫（正规叫法是红橙黄绿蓝靛紫，注意区别）。

其实这就是按照光线振动的快慢排下来的顺序，振动越快的光线，其光谱色越偏向紫；偏到我们人眼看不见时，就叫紫外光或者紫外线（类似声音中的超声波）。

相应的，振动越慢的光线，其光谱色就越偏向红；偏到人眼看不到时，就叫做红外光或者红外线（类似声音中的次声波）。

现在看看，光和声音，性质何其相似：

	光	声音
振动次数影响因素	颜色	音调
振动由快到慢	人类不可感知	紫外光/紫外线	超声波
人类可感知	紫——>红	尖细——>低沉
人类不可感知	红外光/红外线	次声波

有了颜色来鉴别频率，现在我们可以方便的使用多普勒效应，来判断刚刚那颗很远很远很远很远的星星相对于地球的运动了吧：

我们只要看它发光的颜色。

如果它正在远离我们而去，那么它发出来的光线要到达地球，就是光的传播速度需要克服星球本身的移动速度，对我们而言呈现出来的光谱就会向红色方向移动，这就称为红移；

相反，如果它正在向我们飞来，那么它发出来的光线传播速度和星球本身的移动速度会叠加（但是不能超过真空中的光速），对我们而言呈现出来的光谱就会向紫色方向移动，这就称为紫移或者蓝移。

红移蓝移这些名称大名鼎鼎，科幻巨匠阿西莫夫的银河帝国系列小说里，就用蓝移来命名了一个星区：

所以，多普勒效应使得人们可以利用接受到的光线颜色，来研究距离地球很远的恒星的运动规律。

好，继续开动脑筋：

现在告诉你，天文学家经过观察发现，绝大多数恒星都在进行着红移；而且离得越远的星球，红移现象越明显。

从上述现象中，你能得到什么结论？

绝大多数恒星都在离我们远去，而且离得越远的，走得越快。

对，再继续想，我们要在这个问题上做最后一次重要的引申：

宇宙中最平凡不过的一颗恒星（太阳）辖内的一颗最普通不过的行星（地球）上的人类观察到，绝大多数恒星都在离地球远去，说明什么？

说正好证明地球是宇宙中心的，请暂时退散，这是邪教的理论。我们改天可以详谈邪教。

说明我们所在的宇宙正在不断膨胀。

恭喜你想出了这个终极答案，这也是目前最时髦的理论：宇宙大爆炸理论。全文大意是，宇宙是由一个致密炽热的点，在137亿年前发生了一次大爆炸所形成的，到目前为止宇宙仍然在继续膨胀，也可以理解成持续爆炸中（炸到今天还没炸完）。

没听过这个理论的，美剧生活大爆炸总归看过吧。

宇宙大爆炸理论是多普勒效应的一个重要的应用；多普勒效应也成为宇宙大爆炸理论有力的支持。

【其他应用一：B超】

好，从宇宙外太空逛了一圈回来，我们先去生个孩子。

B超和彩超，你知道是啥意思么？

我如果告诉你其实在B超之前还有A超，是不是涨姿势了？

是真的：

A超：最早把声音转化成线性图像的方法，主要用来测量距离，比如测算颅内肿瘤大小。

B超：超声界的重大突破，能把声音转变为二维图像。

彩超：彩色B超，利用探头和反射体之间的相对运动使得回声频率发生改变，对结果进行多普勒信号处理，最终使转化的图像在颜色上产生差异。这就是所谓的彩色超声，大名叫彩色多普勒超声。

【其他应用二：罚单】

交通摄像头为毛就能知道我行车超速了？

答案很简单：交通摄像头里装有多普勒测速仪，它对下方经过的车辆发射频率已知的超声波，根据其反射波频率的变化，就可以算出车辆的行驶速度。对超速的车，拍照，出罚单。

注意在这个例子里，相当于是地上静止的人在发出叫声，疾驰的火车上的人在听。本质还是一样的，因为运动本来就是相对的。

【其他应用三：航空】

2014年3月马航MH370失联，参与失联航班调查的国际海事卫星组织事后解释说，他们运用多普勒效应理论进行分析，在大量数据分析基础上确定了MH370的最终走向。

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