【物理探秘】物理老师骑着小电驴带你揭秘多普勒效应

生活中我们常常会遇到这样的现象：当一辆救护车迎面向我们驶来的时候，我们会发现听到的声音音调（频率）较高；而当救护车离去时声音音调（频率）较低。其实，我们很多小伙伴可能不知道，这个现象和医院彩超是同属于一个原理，那就是我们今天的主角“多普勒效应”。

多普勒效应（Doppler effect）

多普勒效应（Doppler effect）是为纪念奥地利物理学家及数学家克里斯琴·约翰·多普勒（Christian Johann Doppler）而命名的，他于1842年首先提出了这一理论，主要内容为物体发出的波长（wavelength）因为波源（source）和观察者（observer）的相对运动而产生变化。

（Christian Johann Doppler）

在运动的波源前方，波被压缩，波长变得较短，频率变得较高；在运动的波源后面时，会产生相反的效应，波长变得较长，频率变得较低；波源的速度越快，所产生的效应越大。

在我们的生活中，所有波动现象都存在多普勒效应。

为了让同学们更深刻的感受到生活中的多普勒效应，物理董老师带领学生来到了教学楼旁开阔的空地处，让同学们骑上小电驴，手拿能够发出鸣笛声的小音箱，来模拟救护车驶过我们的情境，来感受一下具体情况吧~

除此之外，我们还可以利用多普勒效应来测量波源的速度。

那么问题来了，小音箱发出的声音不止一个频率，到底怎样才能测出声音的频率呢？答案其实很简单，只需要两款手机APP就能解决，一是Sonic，这款APP可以发出一个单一频率的声音；另一个APP是Sonic Tools，用它可以测出接受的声音的频率。

接着，物理董老师让同学们带着问题与思考，进行了二次实验。

通过视频我们可以听到在音调最高的时候，测出频率显示为451Hz；在音调最低的时候，测出频率显示为430Hz。

通过这次生动的课堂实验，同学们对于多普勒效应有了更为深刻的了解。回归课堂之后，物理董老师也给同学们抛出了几个小问题：

假如当老师骑小电驴的速度超过了音速，会发生什么？

多普勒效应的公式还能适用吗？

在给同学们充分的思考时间后，老师揭晓了答案：若小电驴的速度超过音速，会发生音爆（Sonic Boom），多普勒效应的公式不再适用。音爆（Sonic Boom）是指在空气中运动的物体速度超过音速时，产生冲击波而伴随产生的巨大响声。音爆产生的声音巨大，听起来像爆炸一样，让我们来看看超音速飞机产生音爆的视频吧。

音爆原理

声音在空气中的传播像水中投入石子产生的水波一样，通过波的形式向外传播，这就是声波。

我们平时听见的声音就是声波传入耳内使鼓膜震动而产生的。当飞机在空中作超音速飞行时，在机头或突出部分，也会像水中前进的快艇一样出现一种楔形或锥形波，这就是激波。

飞机所发出的疏密状的音波无法跑到飞机前方，所以会全部叠在机身后方，形成圆锥形状的音锥。当它们向外传播时，便互相干扰和影响，然后汇集成一道包罗机头的音爆前激波和一道尾随机尾的后激波。这种波虽然可以用楔形水波来比拟，但有着迥然不同的性质。

激波的厚度很小，经过波后空气的压强、密度、温度都突然升高，速度立即下降。当这两道激波波及到无论哪个空间和物体时，均会感到这种强烈的变化，反映到人的耳朵里，使耳鼓膜受到突然的空气压强变化，感觉像是两声雷鸣般的巨响。

在突破音障时伴随的一个奇特现象便是“音爆云”，这是由于在激波面后方由于气压增加而压缩周围空气，使水气凝结形成微小的水珠，看上去就像云雾一般。这种云雾通常只能持续几秒钟，激波现身，转瞬即逝。

来源：省泰中国际部