C.5 · Hiệu ứng Doppler

Tài liệu này bao gồm các chủ đề HL được chọn cho khóa học đầu tiên được đánh giá trong 2025; đây không phải là toàn bộ chương trình.

Điều kiện tiên quyết: đọc các đại lượng và đơn vị được nêu, và sử dụng phép toán cùng các điều kiện mô hình bên dưới.

Các ví dụ là gốc và hư cấu: chúng không phải là số đo thực tế hay các cuộc điều tra của học sinh thực tế.

Giải thích hiện tượng này là gì?

• Một vạch quang phổ dễ nhận thấy xuất hiện ở bước sóng dài hơn trong một nguồn xa. Sự dịch chuyển này có thể cung cấp bằng chứng về sự rời xa dọc theo đường nhìn.

Xây dựng mô hình

• Chuyển động tương đối giữa nguồn và người quan sát làm thay đổi tần số hoặc bước sóng quan sát được.
• Đối với ánh sáng có vận tốc tương đối nhỏ hơn nhiều so với c, độ lớn của độ dịch chuyển bước sóng phân đoạn xấp xỉ v/c.
• Sự lùi xa tương ứng với bước sóng dài hơn, và sự tiến lại gần tương ứng với bước sóng ngắn hơn.
• dịch chuyển đỏ: Sự dịch chuyển của một vạch xác định về phía bước sóng dài hơn.
• bước sóng nghỉ: Bước sóng của vạch đo khi không có chuyển động tương đối của nguồn.

Chọn bằng chứng để kiểm định mô hình

• So sánh một vạch xác định với bước sóng nghỉ phòng thí nghiệm của nó.
• Sử dụng z = (quan sát − nghỉ)/nghỉ, sau đó v xấp xỉ cz trong mô hình tốc độ thấp đã nêu.
• Không áp dụng xấp xỉ này mà không kiểm tra chế độ hoặc coi dịch chuyển đỏ vũ trụ học là vận tốc chính xác đơn giản.

Trong phòng thí nghiệm: Sử dụng phổ có gắn nhãn kèm hiệu chuẩn và nhận diện vạch. So sánh nhiều vạch để có sự dịch chuyển nhất quán. Nêu độ bất định và phân biệt chuyển động dọc theo đường nhìn tương đối với thành phần ngang chưa đo được.

Bắt đầu từ các đại lượng đã biết

• Đã biết: một vạch nghỉ 500 nm được quan sát ở 501 nm. z = (501−500)/500 = 0.002.
• Với c=3.0×10⁸ m/s, v xấp xỉ 6.0×10⁵ m/s rời xa.
• Công thức mẫu số nguồn âm thanh không phải là xấp xỉ ánh sáng SL cần thiết.

Lượt của bạn: Một vạch nghỉ 600 nm được quan sát ở 601.2 nm. Tìm z=(quan sát−nghỉ)/nghỉ.

Kiểm tra kết luận và giới hạn của nó

• Mối liên hệ dịch chuyển xấp xỉ không cho thấy ánh sáng truyền nhanh hơn từ nguồn tiến lại gần.
• Một vạch duy nhất chưa xác định không thể an toàn thiết lập dịch chuyển đỏ.

Không đúng: Dịch chuyển đỏ quan sát được có nghĩa là tốc độ ánh sáng tăng lên. Tốc độ ánh sáng trong chân không như nhau đối với mọi người quan sát. Dịch chuyển đỏ là sự thay đổi bước sóng quan sát được do chuyển động tương đối (hoặc không gian giãn nở), không phải ánh sáng đi nhanh hơn hay chậm hơn.

Tóm tắt:

• Chuyển động tương đối giữa nguồn và người quan sát làm thay đổi tần số hoặc bước sóng quan sát được.
• So sánh một vạch xác định với bước sóng nghỉ phòng thí nghiệm của nó.
• Lưu ý: mối liên hệ dịch chuyển xấp xỉ không cho thấy ánh sáng truyền nhanh hơn từ nguồn tiến lại gần.

Viết từ dịch chuyển đỏ 0.004

• Một vạch nghỉ 400 nm được quan sát ở 401.6 nm.
• Tìm z. Hiệu ứng dịch chuyển đỏ không có nghĩa là tốc độ ánh sáng tăng lên.

Giải thích hiện tượng này là gì?

• Một nguồn âm thanh đang tiến lại gần bị nghe thấy có âm cao hơn ngay cả khi nguồn phát ra tần số không đổi.

Xây dựng mô hình

• Hiệu ứng Doppler phát sinh từ chuyển động tương đối giữa nguồn và người quan sát.
• Một nguồn di chuyển nén khoảng cách giữa các mặt sóng phía trước và làm giãn chúng phía sau.
• Đối với âm thanh trong môi trường đứng yên, tốc độ sóng so với môi trường đó không nhất thiết phải thay đổi.
• Dịch chuyển Doppler: Sự thay đổi tần số quan sát được do chuyển động tương đối.
• Mặt sóng: Bề mặt nối các điểm có cùng pha sóng.

Chọn bằng chứng để kiểm định mô hình

• Khi nguồn tiến gần một người quan sát đứng yên trên đường nhìn, f quan sát = f nguồn × v/(v−v nguồn).
• Khi nguồn lùi xa, mẫu số sử dụng v+v nguồn.
• Đây là các mô hình sóng âm; ánh sáng yêu cầu công thức phù hợp riêng.

Trong phòng thí nghiệm: Sử dụng mô phỏng hoặc dữ liệu ghi lại có chỉ rõ hướng của nguồn và người quan sát. Vẽ các mặt sóng trước khi chọn dấu. Tránh thực hiện gần phương tiện đang di chuyển hoặc các nguồn âm lượng cao không an toàn.

Bắt đầu từ các đại lượng đã biết

• Đã biết: tần số nguồn 500 Hz, tốc độ âm thanh 340 m/s, nguồn tiến tới với 20 m/s.
• Tần số quan sát = 500 × 340/(340−20) = 531.25 Hz.
• Mức tăng là 31.25 Hz; đây không phải là tần số nguồn bị thay đổi.

Luyện tập của bạn: Một nguồn 600 Hz tiến gần một người quan sát đứng yên với tốc độ 20 m/s. Sử dụng v = 340 m/s. Tìm tần số quan sát.

Kiểm tra kết luận và giới hạn của nó

• Nguồn đứng yên và người quan sát di chuyển đòi hỏi công thức tính theo chuyển động của người quan sát.
• Không dùng chung một công thức mẫu số cho mọi cấu hình hay áp dụng công thức âm thanh vào thuyết tương đối.

Không đúng: Hiệu ứng Doppler luôn có nghĩa là tốc độ sóng trong môi trường đã thay đổi. Tốc độ sóng trong môi trường được cố định bởi chính môi trường đó. Sự dịch chuyển Doppler đến từ chuyển động tương đối làm thay đổi khoảng cách giữa các mặt sóng (nguồn di chuyển) hoặc tốc độ gặp người quan sát (người quan sát di chuyển) - chứ không phải do sự thay đổi tốc độ sóng.

Tóm tắt:

• Dịch chuyển Doppler phát sinh từ chuyển động tương đối giữa nguồn và người quan sát.
• Khi nguồn tiến gần một người quan sát đứng yên trên đường nhìn, f quan sát = f nguồn × v/(v−v nguồn).
• Lưu ý: Nguồn đứng yên và người quan sát di chuyển đòi hỏi công thức tính theo chuyển động của người quan sát.

Viết từ tần số quan sát được là 510 Hz

• Một nguồn 450 Hz tiến lại gần một quan sát viên đứng yên với vận tốc 40 m/s. Vận tốc sóng là 340 m/s.
• Tìm tần số quan sát được. Vận tốc sóng trong môi trường không thay đổi.

Viết từ dịch chuyển xanh 0.001

• Một đường nghỉ 600 nm được quan sát tại 599.4 nm.
• z = (599.4 − 600) ÷ 600 = −0.001, do đó v ≈ 0.001c = 3.0 × 10⁵ m s⁻¹ HƯỚNG về phía người quan sát — dấu mang ý nghĩa chỉ hướng.