C.5 · Efek Doppler

Lembar kerja ini mencakup topik HL terpilih untuk kurikulum yang pertama kali diassesmen pada 2025; ini bukan keseluruhan silabus.

Prasyarat: baca kuantitas dan satuan yang ditentukan, serta gunakan aritmatika dan kondisi model di bawah ini.

Contoh-contoh ini orisinal dan fiksi: mereka bukan pengukuran nyata atau investigasi mahasiswa sungguhan.

Apa yang akan menjelaskan observasi ini?

• Garis spektral yang dikenali muncul pada panjang gelombang yang lebih panjang pada sumber yang jauh. Pergeserannya dapat menjadi bukti recesi sepanjang garis pandang.

Bangun modelnya

• Gerak relatif sumber-pengamat mengubah frekuensi atau panjang gelombang yang diamati.
• Untuk cahaya dengan kecepatan relatif jauh lebih kecil dari c, besaran pergeseran rasio panjang gelombang mendekati v/c.
• Penyusutan (recession) bersesuaian dengan panjang gelombang lebih panjang, dan pendekatan (approach) dengan panjang gelombang lebih pendek.
• pergeseran merah: Pergeseran garis teridentifikasi menuju panjang gelombang lebih panjang.
• panjang gelombang diam: Panjang gelombang garis yang diukur tanpa adanya gerak relatif sumber.

Pilih bukti yang dapat mengujinya

• Bandingkan garis teridentifikasi dengan panjang gelombang diam laboratoriumnya.
• Gunakan z = (diamati−diam)/diam, kemudian v ≈ cz dalam model kecepatan rendah yang dinyatakan.
• Jangan gunakan pendekatan ini tanpa memeriksa rezimnya atau menganggap pergeseran merah kosmologis sebagai kecepatan tunggal yang eksak.

Di laboratorium: Gunakan spektrum yang dikaitkan dengan kalibrasi dan identifikasi garis. Bandingkan beberapa garis untuk pergeseran yang konsisten. Nyatakan ketidakpastian dan bedakan gerak relatif sepanjang garis pandang dari komponen transversal yang belum terukur.

Bekerja dari kuantitas yang diketahui

• Diketahui: garis istirahat 500 nm diamati pada 501 nm. z = (501−500)/500 = 0.002.
• Dengan c=3.0×10⁸ m/s, v kira-kira 6.0×10⁵ m/s menjauh.
• Rumus penyebut sumber suara bukan pendekatan cahaya SL yang diperlukan.

Giliran Anda: Garis istirahat 600 nm diamati pada 601.2 nm. Tentukan z=(diamati−istirahat)/istirahat.

Periksa kesimpulan dan batasannya

• Hubungan pergeseran perkiraan tidak menunjukkan bahwa cahaya bergerak lebih cepat dari sumber yang mendekat.
• Satu garis tak teridentifikasi tidak dapat dengan aman menetapkan pergeseran merah.

Tidak benar: Pergeseran merah yang diamati berarti kecepatan cahaya meningkat. Kecepatan cahaya dalam vakum sama bagi semua pengamat. Pergeseran merah adalah perubahan panjang gelombang yang diamati akibat gerakan relatif (atau ruang yang mengembang), bukan cahaya bergerak lebih cepat atau lebih lambat.

Kunci:

• Gerak relatif sumber-pengamat mengubah frekuensi atau panjang gelombang yang diamati.
• Bandingkan garis teridentifikasi dengan panjang gelombang diam laboratoriumnya.
• Waspadai: hubungan pergeseran perkiraan tidak menunjukkan bahwa cahaya bergerak lebih cepat dari sumber yang mendekat.

Tulis berdasarkan redshift 0.004

• Garis istirahat 400 nm diamati pada 401.6 nm.
• Temukan z. Pergeseran merah tidak berarti kecepatan cahaya meningkat.

Apa yang akan menjelaskan observasi ini?

• Sumber suara yang mendekat terdengar dengan nada lebih tinggi meskipun sumber menghasilkan frekuensi konstan.

Bangun modelnya

• Pergesaan Doppler muncul dari gerakan relatif sumber-pengamat.
• Sumber yang bergerak memampat jarak gelombang depan di depan dan menambahkannya di belakang.
• Untuk suara dalam medium diam, kecepatan gelombang relatif terhadap medium tersebut tidak perlu berubah.
• Pergeseran Doppler: Perubahan frekuensi yang diamati akibat gerakan relatif.
• Gelombang depan: Permukaan yang menghubungkan titik-titik dengan fase gelombang yang sama.

Pilih bukti yang dapat mengujinya

• Untuk sumber yang mendekati pengamat diam sepanjang garis pandang, f diamati = f sumber × v/(v−v sumber).
• Penjauhan menggunakan v+v sumber di penyebut.
• Ini adalah model gelombang suara; cahaya memerlukan hubungannya yang sesuai.

Di laboratorium: Gunakan simulasi atau data terekam dengan arah sumber dan pengamat yang dinyatakan. Gambar gelombang depan sebelum memilih tanda. Hindari demonstrasi di dekat lalu lintas bergerak atau sumber bervolume tinggi yang tidak aman.

Bekerja dari kuantitas yang diketahui

• Diketahui: frekuensi sumber 500 Hz, kecepatan bunyi 340 m/s, sumber mendekat dengan kecepatan 20 m/s.
• Frekuensi yang diamati = 500 × 340/(340−20) = 531.25 Hz.
• Peningkatan tersebut adalah 31.25 Hz; ini bukan perubahan pada frekuensi sumber.

Giliran Anda: Sumber 600 Hz mendekat ke pengamat diam pada kecepatan 20 m/s. Gunakan v = 340 m/s. Tentukan frekuensi yang diamati.

Periksa kesimpulan dan batasannya

• Sumber diam dan pengamat bergerak memerlukan hubungan gerak pengamat.
• Jangan gunakan rumus penyebut yang sama untuk setiap susunan atau terapkan rumus bunyi ke dalam relativitas.

Tidak benar: Efek Doppler tidak selalu berarti kecepatan gelombang di medium berubah. Kecepatan gelombang di medium ditentukan oleh medium itu sendiri. Pergeseran Doppler berasal dari gerakan relatif yang mengubah jarak antar muka gelombang (sumber bergerak) atau laju pertemuan mereka dengan pengamat (pengamat bergerak), bukan karena perubahan kecepatan gelombang.

Kunci:

• Pergeseran Doppler timbul dari gerakan relatif antara sumber dan pengamat.
• Untuk sumber yang mendekati pengamat diam sepanjang garis pandang, f diamati = f sumber × v/(v−v sumber).
• Perhatikan: Sumber diam dan pengamat bergerak memerlukan hubungan gerak pengamat.

Tulis berdasarkan frekuensi teramati 510 Hz

• Sumber 450 Hz mendekat ke pengamat diam pada kecepatan 40 m/s. Kecepatan gelombangnya adalah 340 m/s.
• Temukan frekuensi yang diamati. Kecepatan gelombang di medium tidak berubah.

Tulis berdasarkan blueshift 0.001

• Garis istirahat 600 nm teramati pada 599.4 nm.
• z = (599.4 − 600) ÷ 600 = −0.001, sehingga v ≈ 0.001c = 3.0 × 10⁵ m s⁻¹ KE ARAH pengamat — tanda membawa arah.