도플러 효과에서는 파동의 주파수가 관찰자에 대한 상대적인 움직임에 따라 변합니다. 물리학에서 도플러 효과 또는 도플러 편이는 파원과 관찰자 사이의 상대 운동으로 인한 파동 주파수의 변화입니다. 예를 들어, 다가오는 사이렌은 원래 소리보다 음조가 더 높고, 멀어지는 사이렌은 음조가 낮습니다. 관찰자에게 접근하는 빛은 스펙트럼의 파란색 끝 쪽으로 이동하고, 멀어지는 빛은 빨간색 쪽으로 이동합니다. 소리나 빛과 관련하여 가장 자주 논의되는 반면, 도플러 효과는 모든 파동에 적용됩니다. 이 현상은 1842년에 처음으로 기술한 오스트리아 물리학자 크리스티안 도플러의 이름을 따서 명명되었습니다.
역사
크리스티안 도플러(Christian Doppler)는 1842년에 "Über das Farbige Licht der Doppelsterne und einiger anderer Gestirne des Himmels"("쌍성과 하늘의 다른 별들의 유색광에 관하여")라는 제목의 논문에서 자신의 연구 결과를 발표했습니다. 도플러의 작업은 쌍성에서 나오는 빛의 분석에 중점을 두었습니다. 그는 별의 색깔이 상대적인 움직임에 따라 변한다는 것을 관찰했습니다.
도플러 효과란 무엇인가요?
간단히 말해서, 도플러 효과는 음원이나 관찰자가 움직일 때 소리나 광파의 피치나 주파수가 변경되는 것입니다. 파동의 근원(자동차 엔진이나 별 등)이 관찰자에게 더 가까이 다가가면 파동의 주파수가 증가합니다. 파동의 주파수가 높아지면 소리의 높낮이가 높아지거나 빛의 파장이 파란색에 가까워집니다. 반대로, 광원이 관찰자로부터 멀어지면 주파수는 감소합니다. 음높이가 낮아지거나 조명이 빨간색으로 변합니다.
도플러 효과의 작동 원리
관찰자에게 접근하는 파동은 압축되어 주파수가 증가합니다. 반면에 관찰자로부터 멀어지는 소스의 파동은 늘어납니다. 파동 사이의 거리가 멀어지면 주파수는 감소합니다.
도플러 효과와 음파
음파의 도플러 효과의 예는 지나가는 사이렌이나 기차 기적 소리와 같은 일상적인 시나리오에서 발생합니다. 사이렌이 달린 경찰차가 관찰자를 지나갈 때 사이렌의 음조는 차가 접근할 때 높아지고 멀어질수록 낮아지는 것처럼 보입니다.
수식
관찰자의 주파수는 실제 주파수, 관찰자의 속도 및 소스의 속도에 따라 달라집니다.
f' =f(V ± V0) / (V ± Vs)
여기:
- f'는 관찰된 빈도입니다
- f는 실제 빈도입니다
- V는 파도의 속도입니다
- V0는 관찰자의 속도입니다
- Vs는 소스의 속도입니다
정지 중인 관찰자에게 접근하는 소스
관찰자의 속도가 0이면 V0 =0입니다.
f' =f [V / (V – Vs)]
정지 중인 관찰자로부터 멀어지는 소스
관찰자의 속도가 0이면 V0 =0입니다. 소스가 멀어지기 때문에 속도는 음의 부호를 갖습니다.
f' =f [V / (V – (-Vs))] 또는 f' =f [V / (V +Vs)]
고정 소스에 접근하는 관찰자
이 상황에서 Vs는 0입니다:
f' =f (V +V0) / V
고정 소스에서 멀어지는 관찰자
관찰자가 소스에서 멀어지고 있으므로 속도는 음수입니다.
f' =f (V -V0) / V
도플러 예시 문제
예를 들어, 한 소년이 오르골을 향해 달려갑니다. 상자는 500Hz 주파수의 소리를 생성합니다. 소년은 2m/s의 속도로 상자를 향해 달려갑니다. 소년은 어떤 주파수를 듣나요? 공기 중 소리의 속도는 343m/s입니다.
소년이 정지된 물체에 접근하므로 올바른 공식은 다음과 같습니다:
f' =f(V +V0) / V 또는 f(1 +V0/V)
숫자 입력:
f' =500초-1 [1 + (2m/s / 343m/s)] =502.915초-1 =502.915Hz
빛의 도플러 효과
광파에서 도플러 효과는 광원이 관찰자로부터 멀어지거나 가까워지는지에 따라 적색 편이 또는 청색 편이로 알려져 있습니다. 별이나 은하가 관찰자로부터 멀어지면 그 빛은 더 긴 파장으로 이동합니다(적색편이). 반대로, 광원이 관찰자를 향해 이동하면 빛이 더 짧은 파장으로 이동합니다(청색 이동). 적색편이와 청색편이는 천체의 움직임과 거리에 대한 정보를 제공하므로 천문학에서 중요합니다.
수식
빛의 도플러 효과에 대한 공식은 소리에 대한 공식과 다릅니다. 빛(소리와 달리)은 전파에 매질이 필요하지 않기 때문입니다. 또한 진공 속의 빛은 빛의 속도로 이동하기 때문에 방정식은 상대론적입니다. 주파수(또는 파장) 변화는 관찰자와 광원의 상대 속도에만 의존합니다.
λR =λS [(1-β) / (1+β)]1/2
- λR은 수신기가 보는 파장입니다.
- λS는 소스의 파장입니다.
- β =v/c =속도 / 빛의 속도
빨간불을 녹색으로 보이게 만드는 속도
빛 속에서 도플러 효과를 탐색하고 빨간색 신호등이 녹색으로 나타나려면 얼마나 빨리 가야 하는지 계산해 보세요. (아니요, 티켓을 끊지는 않습니다.)
도플러 효과의 실제 응용
도플러 효과에는 수많은 실제 응용이 있습니다. 천문학에서는 별이나 은하와 같은 천체의 속도와 방향을 측정합니다. 기상학에서는 레이더 파동의 도플러 이동을 분석하여 풍속을 찾기 위해 도플러 효과를 사용합니다. 의료 영상에서 도플러 초음파는 신체의 혈류를 시각화합니다. 다른 용도로는 사이렌, 레이더, 진동 측정, 위성 통신 등이 있습니다.
참고자료
- 투표, Buijs(1845). "Akustische Versuche auf der Niederländischen Eisenbahn, nebst gelegentlichen Bemerkungen zur Theorie des Hrn. Prof. Doppler(독일어)". Annalen der Physik und Chemie . 142(11):321–351. doi:10.1002/andp.18451421102
- 바바라 J. 베커(2011). 별빛을 밝히다:윌리엄 허긴스와 마가렛 허긴스와 새로운 천문학의 부상 . 케임브리지 대학 출판부. ISBN 9781107002296.
- 퍼시벌, 윌; 외. (2011). “검토 기사:Redshift-공간 왜곡”. 왕립학회의 철학적 거래 . 369(1957):5058–67. doi:10.1098/rsta.2011.0370
- 류칭충(1999). “이동 위성 통신 시스템의 도플러 측정 및 보상.” 군사 통신 회의 절차 / MILCOM. 1:316–320. ISBN 978-0-7803-5538-5. doi:10.1109/milcom.1999.822695
- 조 로젠; 고타드, 리사 퀸(2009). 물리과학 백과사전 . 인포베이스 출판. ISBN 978-0-8160-7011-4.
