Hiệuứng Doppler - Ứng
dụng trong việc phát minh
ra súng bắn tốcđộ
Hiệuứng Doppler là một hiệuứng vật lý, đặt tên theo Christian
Andreas Doppler, trong đó tần sốvà bước sóng của các sóng âm, sóng điện từ
hay các sóng nói chung bịthay đổi khi mà nguồn phát sóng chuyểnđộng
tương đối với người quan sát.
Nhà thiên văn học John Dobson giải thích hiệuứng Doppler khi nghe tiếng
còi xe: "lý do mà tiếng còi giảm là do xe không tông bạn"?
Đối với sóng chuyểnđộng trong một môi trường, nhưsóng âm, nguồn
sóng và người quan sát đều có thểchuyểnđộng tương đối so với môi trường. Hiệu
ứng Doppler lúc đó là sựtổng hợp của hai hiệuứng riêng rẽgây ra bởi hai chuyển
động này.
Cụthể, nếu nguồn di động trong môi trường phát ra sóng với tần sốtại
nguồn là f0, một người quan sát đứng yên trong môi trường sẽnhậnđược tần sốf:
vớictốcđộ lan truyền của sóng trong môi trường, vlà thành phần vận tốc
chuyểnđộng của nguồn so với môi trường theo phương chỉ đến người quan sát
(âm nếuđi vềphía người quan sát, dương nếu ngược lại).
Tần sốtăng lên khi nguồn tiến vềphía người quan sát, và giảmđi khi nguồn
đi ra xa người quan sát.
Tương tự, khi nguồnđứng im còn người quan sát chuyểnđộng:
Đối với sóng điện từ(ví dụánh sáng), lan truyền mà không cần môi trường,
hiệuứng Doppler được tính toán dựa vàothuyết tương đối.
Phân Tích
Trong hiệuứng Doppler thật ra tần sốcủa nguồn sóng không bịthay đổi. Để
hiểu rõ nguyên nhân tạo ra hiệuứng Doppler, sựthay đổi tần số, ta lấy ví dụcủa
hai người ném bóng. Người A ném bóng đến người B tại một khoảng cách nhất
định. Giảsửvận tốc trái bóng không đổi và cứmỗi phút người B nhậnđược x số
bóng. Nếu người A từtừtiến lại gần người B, anh ta sẽnhậnđược nhiều bóng hơn
mỗi phút vì khoảng cách của họ đã bịrút ngắn. Vậy chính sốbước sóng bịthay đổi
nên gây ra sựthay đổi tần số.
Ứng Dụng
Một microphone cố định thu âm tiếng của xe cảnh sát tạiđộ ngân khác nhau
tùy thuộc vào hướng tương đối của chúng
Thường ngày
Một tiếng còi trên xe cấp cứu tiếnđến ta sẽcó tần sốcao hơn (chói
hơn) khi xe đứng yên. Tần sốnày giảm dần (trầm hơn) khi xe vượt qua ta và
nhỏhơn bình thường khi xe chạy ra xa.
Nhà thiên văn học John Dobson giải thích hiện tượng trên: "lý do mà tiếng
còi giảm là do xe không tông bạn".
Nói cách khác, nếu chiếc xe đi theo phương thẳng tới bạn, tần sốsẽvẫn giữ
nguyên (vì thành phần vận tốcvtheo phương chỉtới bạn không đổi) cho đến khi
chúng vượt qua bạn, thì lập tức chuyển sang tần sốthấp hơn. Sựkhác biệt giữa tần
sốcao lúc tiếnđến so với tần sốchuẩn của còi đúng bằng sựkhác biệt giữa tần số
thấp lúc ra xa so với tần sốchuẩn. Khi chiếc xe không tông vào bạn mà chỉqua mặt
bạn, thành phần vận tốc theo phương chỉtới bạn không giữnguyên do phương này
luôn thay đổi tùy thuộc vịtrí của xe:
Trong đó vlà thành phần vận tốc của xe theo phương chỉtới bạn, v0là tốc
độ của xe và θlà góc giữa hướng di chuyển của xe và hướng nối từxe đến bạn.
Súng bắn tốcđộ
Sửdụng cơchếradar và hiệuứng Doppler, phát ra một bước sóng radio có
tần sốxác định f0 rồi thu nhận tần sốsóng radio f1 phản xạngược trởlại từ
phương tiện giao thông đang di chuyển với vận tốcu. Từf0 và f1 ta sẽtính ra được
vận tốc của phương tiện giao thông đó.
nv