28182

Оптика движущихся сред. Эффект Доплера. Поперечный и продольный эффект Доплера

Доклад

Физика

Он гласит: все физические законы независимы инвариантны по отношению к выбору инерциальной системы отсчёта. Это означает что уравнения выражающие законы физики имеют одинаковую форму во всех инерциальных системах отсчёта. Поэтому на основе любых физических экспериментов нельзя выбрать из множества инерциальных систем отсчёта какуюто главную абсолютную систему отсчёта обладающую какимилибо качественными отличиями от других инерциальных систем отсчёта. Она одинакова во всех направлениях в пространстве и во всех инерциальных системах...

Русский

2013-08-20

194 KB

28 чел.

61. Оптика движущихся сред.  Эффект  Доплера.  Поперечный  и продольный эффект Доплера

В основе специальной теории относительности лежат два основных принципа, принимаемых в качестве исходных постулатов. Первый постулат (принцип относительности, или релятивистский принцип относительности Эйнштейна) является обобщением механического принципа относительности на все физические процессы. Он гласит: все физические законы независимы (инвариантны) по отношению к выбору инерциальной системы отсчёта. Это означает, что уравнения, выражающие законы физики, имеют одинаковую форму во всех инерциальных системах отсчёта. Поэтому на основе любых физических экспериментов нельзя выбрать из множества инерциальных систем отсчёта какую-то главную («абсолютную») систему отсчёта, обладающую какими-либо качественными отличиями от других инерциальных систем отсчёта.

Второй постулат выражает принцип инвариантности скорости света в вакууме: скорость света в вакууме  c не зависит от движения источника света. Она одинакова во всех направлениях в пространстве и во всех инерциальных системах отсчёта, являясь одной из важнейших физических постоянных.

Скорости любых взаимодействий и сигналов не бесконечно велики, и они не могут превышать скорости света в вакууме c.

Электродинамика (оптика) движущихся сред строится аналогично механике движущихся сред. Исходя из определённых физических предпосылок, выявленных опытным путём, устанавливают систему электродинамических законов, применимых к явлениям в движущихся средах, указывая одновременно формулы преобразования, которые необходимо использовать при переходе от одной инерциальной системы отсчёта к другой. Правильность сформулированных положений проверяется при сравнении выводов, сделанных на их основе, с результатами опытов.

Электрические заряды частиц и тел инвариантны по отношению к выбору системы отсчёта, то есть не зависят от скоростей движения этих частиц и тел.

Однако электромагнитное поле при переходе из одной инерциальной системы отсчёта (обозначим её K) в другую (К´), движущуюся со скоростью  относительно системы K, изменяется.  Например, если все заряженные тела неподвижны в системе K, то в этой системе отсчёта электромагнитное поле рассматриваемой совокупности тел сводится к электрическому (электростатическому) полю. В системе отсчёта K´ заряженные тела движутся, и их поле содержит как электрическую, так и магнитную составляющие.

Выберем две инерциальные системы отсчета K и K´ так, как показано на рисунке 1.

Формулы преобразования скалярного φ и векторного  потенциалов электромагнитного поля при переходе от системы K к системе K´ имеют вид:

,       ,       ,    .

Переход от системы K´ к системе K  осуществляется по правилам:

,       ,       ,    .

Преобразования Лоренца для электромагнитного поля при переходе из движущейся инерциальной системы отсчёта K´ в неподвижную систему K (рисунок 1):

,       ,       ,    

,       ,       ,

,       ,       ,

,       ,       ,

где - релятивистский фактор Лоренца.

Формулы для обратного перехода (из системы K´ в систему K) получаются из написанных для прямого перехода посредством замены величин, отмеченных  индексом штрих, величинами, не содержащими индекса-штриха; не содержащих индекса-штриха – штрихованными и вектора  вектором.

Из преобразований Лоренца для электромагнитного поля, приведенных выше, следует инвариантность по отношению к выбору инерциальной системы отсчёта следующих выражений:

  и  ,

  и  .

Таким образом, если в какой-либо инерциальной системе отсчёта K нет магнитного поля () или нет электрического поля (), то во всех других инерциальных системах отсчёта K´, движущихся относительно K, есть оба поля, при этом векторы напряжённостей электрического  и магнитного  полей взаимно ортогональны. Соответственно взаимно ортогональны и векторы  и .

Для составляющих векторов, параллельных (||) и перпендикулярных (┴) вектору скорости движущейся системы отсчёта , формулы преобразований в векторном виде имеют вид:

,    ,

,    ,

,    ,

,    .

При  формулы преобразований Лоренца для электромагнитного поля сильно упрощаются. С точностью до членов порядка  эти преобразования поля имеют вид:

,             ,

,           .

Если в системе K´ отсутствует магнитное поле (), то в системе K магнитное поле имеется; при этом .

Если в системе K´ отсутствует электрическое поле (), то в системе K электрическое поле существует и его напряжённость .

Эффект Доплера для электромагнитных волн

Если источник электромагнитных волн частоты ν0 движется относительно приёмника волн, то частота волн ν, регистрируемая приёмником, отличается от ν0. Это явление называют эффектом Доплера для электромагнитных волн. В отличие от эффекта Доплера в акустике, который объясняют на основе классического закона сложения скоростей, закономерности эффекта Доплера для электромагнитных волн, распространяющихся в вакууме со скоростью c, можно объяснить только на основе теории относительности.

Эффект Доплера для электромагнитных волн в вакууме математически описывается формулой:

.

Здесь  - вектор скорости движения источника, ,  - угол, измеряемый в системе отсчёта K, связанной с приёмником, между вектором  и радиус-вектором , соединяющим приёмник с источником волн, .

Если источник движется вдоль прямой, соединяющей его с приёмником (), то наблюдается продольный эффект Доплера:

а) при  (источник удаляется от приёмника)

;

б) при  (источник приближается к приёмнику)

.

При  или и  наблюдается поперечный эффект Доплера:

.

Поперечный эффект Доплера значительно слабее продольного. Его обнаружение на опыте явилось одним из подтверждений теории относительности.

Эффект Доплера в оптике проявляется как уширение спектральных линий, обусловленное хаотическим тепловым движением атомов и молекул, являющихся источниками электромагнитного излучения. Доплеровское уширение наиболее характерно для разреженных газообразных светящихся сред. В частности, доплеровский спектр имеет излучение, испускаемое в боковых направлениях газоразрядной трубкой гелий-неонового лазера. Уширенная вследствие эффекта Доплера спектральная линия имеет вид гауссовой кривой (рисунок 2) с центром на частоте и полной шириной на уровне половины максимальной интенсивности , где k – постоянная Больцмана, T – температура в шкале Кельвина, m – масса атома.

Оценивая доплеровскую ширину спектральной линии излучения гелий-неонового лазера, генерирующего на длине волны λ = 632,8 нм, при m = 310-23 г (масса атома неона), T = 300 К, k = 1,3810-23 Дж/К, получим:

- в шкале волновых чисел ()

       0,04 см-1,

- в шкале длин волн

      0,0016 нм,

- в шкале частот ()

         Гц.

Заметим, что доплеровское уширение спектральной линии почти на два порядка превышает естественное уширение спектральной линии.


К´

К

О´

Z

X

- скорость движения системы К´ относительно К

Рисунок 1 – Инерциальные системы отсчёта К и К´

n

Рисунок 2 – Доплеровский контур спектральной линии

ΔνD

Wv


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

48303. Относительность одновременности, принцип причинности. Длительность событий. Собственное время. Замедление хода движущихся часов 245.5 KB
  Пусть в системе в точках с координатами в моменты времени происходят два события. В системе им соответствуют координаты и моменты времени . Если события в системе происходят в одной точке и одновременно то . Если события в системе пространственно разобщены но одновременны то Т.
48304. Динамика. Силы. Законы Ньютона 161 KB
  Не является ли первый закон следствием второго Равномерное движение теряет смысл если часы системы отсчета не синхронизированы. То есть законы инерции без указаний системы отсчета теряют смысл. Первый закон Ньютона является независимым законом выражающим критерий пригодности системы отсчета для рассмотрения движения. Полную силу действующую на частицу обозначим через: Так как То То есть релятивистское уравнение движения имеет вид: Системы материальных точек.
48305. Потенциальные силы 154 KB
  Если смещение происходит вдоль одной координатной оси то Для консервативных сил Или Сила поля равна взятому со знаком минус градиенту потенциальной энергии частицы в этой точке поля. Примеры: Нормировка потенциальной энергии. Процедура придания потенциальной энергии однозначности называется нормировкой. Работа силы при поступательном движении материальной точки равна приращению кинетической энергии этой точки.
48306. Силы тяготения 195 KB
  Основной закон был сформулирован Ньютоном: Между двумя телами массы которых m1 и m2 находящихся на расстоянии r действуют силы взаимного притяжения F12 и F21 направленные от данного тела к другому телу причем модуль силы тяготения пропорционален произведению масс тел и обратно пропорционален квадрату расстояния между ними где гравитационная постоянная. Шарообразные тела со сферически симметричным распределением массы в их объеме взаимодействуют так же как если бы их массы были сосредоточены в центрах шаров. гравитационная энергия...
48307. Конспект лекций по Java. Программирование на Java 2.04 MB
  Под жизненным циклом мы будем понимать процесс, необходимый для создания работающего приложения. Для программ на Java он отличается от жизненного цикла программ на других языках программирования. Типичная картина жизненного цикла для большинства языков программирования выглядит примерно так...
48308. ОПОРНЫЙ КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ. СТРАХОВАНИЕ 351.5 KB
  Содержание Общая характеристика страхования История возникновения и развития страхования Сущность и функции страхования его роль в развитии экономики Основные понятия и термины используемые в страховании Классификация страхования.
48309. Социально-экономическая сущность страхования и её роль в рыночной экономике 488.5 KB
  Классификация рисков Понятие рисков страхования классификация рисков и риск-менеджмент. Договор страхования и принципы страхования. Социально-экономическая сущность страхования и её роль в рыночной экономике.
48311. БАЗОВЫЙ КУРС ФИЛОСОФИИ 1.16 MB
  Мировоззрение это совокупность взглядов личности или общества на мир в целом или место человека в этом мире. У любого человека существует потребность в мировоззрении поскольку оно отвечает на самые фундаментальные вопросы человеческой жизни: Что такое мир Что такое человек В чем смысл человеческой жизни и смерти К чему следует стремиться в жизни Что самое важное ценное В чем смысл истории и т. У человека нет такой жизненной программы поэтому он должен сам на свой страх и риск пытаться постичь жизнь в целом проектировать свою...