多普勒效应及其应用毕业论文.doc
《多普勒效应及其应用毕业论文.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《多普勒效应及其应用毕业论文.doc（29页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
编号:
2010212409
毕业论文
（2014届本科）
题目：
多普勒效应及其应用
学院：
物理与机电工程学院
专业：
物理学
作者姓名：
张伟平
完成日期：
2014年5月20日
二○一四年五月
目录
河西学院本科生毕业论文诚信声明 1
河西学院本科生毕业论文（设计）开题报告 2
0引言 6
1多普勒效应 6
1.1多普勒的一生及贡献 6
1.2多普勒效应具体情况 7
1.2.1波源静止观察者运动的情形 7
1.2.2波源运动观察者静止的情形 8
1.2.3波源和观察者都运动的情形 8
2多普勒效应的原理 9
2.1声波和光波的纵向多普勒效应 9
2.1.1声波的纵向多普勒效应 9
2.1.2光波的纵向多普勒效应 10
2.2声波和光波的横向多普勒效应 10
2.2.1光波的横向多普勒效应 11
2.2.2声波的横向多普勒效应 12
3多普勒效应在探测中的应用 12
3.1多普勒效应在天体脉塞和中子双星探测中的应用 12
3.2卫星多普勒定位技术 14
3.3激光雷达测风速 15
4多普勒效应在医学上的应用 15
4.1彩超在临床医学中的应用 16
4.2超声多普勒血流仪 16
5多普勒效应在军事、交通领域的应用 18
6多普勒效应在影视艺术作品中的运用 18
7结论 20
参考文献 21
致谢 22
河西学院本科生毕业论文题目审批表 24
河西学院物理与机电工程学院指导教师指导毕业论文情况登记表 25
河西学院毕业论文指导教师评审表 26
河西学院本科生毕业论文答辩记录表 27
河西学院本科生毕业论文诚信声明
本人郑重声明：
所呈交的本科毕业论文，是本人在指导老师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，成果不存在知识产权争议，除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。
对本文的研究做出重要贡献的个人和集体均已在文中以明确方式标明。
本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。
作者签名：
二O年月日
26
河西学院本科生毕业论文（设计）开题报告
论文题目
多普勒效应及其应用
学生姓名
张伟平
所属学院
物理与机电工程学院
专业
物理学
年级
2010级
指导教师
董光兴
所在单位
河西学院
职称
副教授
开题日期
2013.12.20
选题的背景、实际意义：
随着多普勒效应的推广和发展，它已经在很多领域得到广泛发展。
本课题的主要目的在于通过对多普勒效应的学习，了解多普勒效应的发展状况、综合介绍多普勒效应的具体应用、总结多普勒效应的一般公式。
有关本选题的研究动态和自己的见解：
1842年奥地利物理学家多普勒首先发现声波的多普勒效应，之后随着多普勒效应的发展，人们证实了多普勒效应适用于所有类型的波，包括电磁波。
20世纪以来，多普勒效应逐渐从理论走向实践，在越来越多的领域得到了广泛的应用，特别在医学、交通、通讯及军事科技方面的应用，让我们深感这一理论的伟大。
多普勒效应的最大优点就是能和许多学科交叉，各科的学者巧妙地用移植的方法进行创新、吸收，甚至引入某一领域内的的理论、技术和方法来解决心难题。
多普勒效应将越来越造福于我们的日常生活。
论文的主要内容、基本要求及其主要的研究方法：
主要内容：
本文首先以声波和光波的多普勒效应为例，对声波、光波及电磁波的多普勒效应原理进行了详细阐述，详细介绍了多普勒效应在医学、气象监控与预警、卫星通信、影视艺术作品和军事雷达测速与追踪等领域的具体应用，以具体实例的形式介绍了多普勒效应对人类科学发展的重要影响。
基本要求：
1.通过对多普勒效应的学习，了解多普勒效应的发展状况。
2.归纳、总结多普勒效应的一般公式。
3.综合介绍多普勒效应的具体应用及其相关知识。
研究方法：
主要为文献研究，然后通过分析、综合、比较、归纳。
论文进度安排和采取的主要措施：
论文进度安排：
2013年12月20日确定毕业论文题目
2013年12月20日——2013年12月22日准备完成开题报告
2013年12月20日——2013年12月25日完成论文开题报告
2014年03月15日——2014年05月03日完成毕业论文初稿
2014年05月03日——2014年05月15日修改毕业论文初稿
2014年05月20日完成论文最终定稿
主要措施：
在图书馆查阅相关资料，请老师修改并自我完善。
参考文献
[1]程守珠,江之永.普通物理学[M].北京:
高等教育出版社,1998.
[2]白明柱,莲花,利民.多普勒效应及其应用[J].内蒙古科技与经济,2008,19.
[3]李启明.多普勒.多普勒效应及其应用[J].现代物理知识,2006,06
[4]杨亮,刘钟馨,林仕伟,曹阳.多普勒效应教学仿真系统的开发[J].大学物理,2012（4）:
55-59.
[5]周美建.浅谈多普勒效应[J].物理教学,2010，32.
[6]李龙,樊养余,张政伟.多普勒效应下星间光通信系统的仿真性能分析[J].计算机仿真,2009.\
（26）:
111-114.
[7]叶丽娜.多普勒效应及其应用[J].甘肃广播电视大学学报,2012,03.
[8]秦继民,萧化.普通物理学专题研究[J].广西师范大学出版社,1993.
[9]周文元,等.高等物理精编[M].中国科学技术大学出版社,1990.
[10]张普利.光的多普勒效应及其应用[J].西北轻工业学院学报,1996,01.
[11]袁玄义,王永昌,张延曹.多普勒效应及其现代应用[J].空军导弹学院报.2001,08.
[12]陈宜生等.物理效应及应用[M].天津:
天津大学出版社,1996.
[13]刘广生,李慧.多普勒效应及其应用[J].南阳师范学院学报,2006,06.
[14]杨 洋.激光雷达在大气测量中的应用[J].现代物理知识,2001（3）.
[15]LE特瑞恩著.王仕康等译.激光多普勒技术[M].北京:
清华大学出版社,1985.245—278.
[16]范毅明等.医用B超仪与超声多普勒系统[J].上海:
第二军医大学出版社,1999.229—236.
[17]金召,赵昕怡.多普勒效应及其应用的探讨[J].科技创新与应用,2013.
[18]鄢晗菡,孙华,刘川,钱杰.基于多普勒效应的汽车刹车预警系统研究[J].机械,2010,11:
56-58.
[19]韩超,李亭,李华.多普勒效应测速实验仪的开发[J].实验室研究与探索,2007,01:
19-21.
[20]吕鐄.电影人声的艺术表现力与美学特征论[D].华中师范大学,2007.
[21]董立娟.论数字化电影的真实质感与审美认知[D].哈尔滨工业大学,2006.
[22]韩璐.论武侠电影的声音艺术创作[J].北京电影学院学报,2004,01.
[23]陈越红,滕青.试论多普勒效应在影视声音中的应用[J].当代电影,2006,01:
135-139.
指导教师意见：
签名：
年月日
教研室意见
负责人签名：
年月日
学院意见
负责人签名：
年月日
多普勒效应及其应用
摘要：
本文首先以声波和光波的多普勒效应为例，对声波、光波及电磁波的多普勒效应原理进行了详细阐述，归纳、总结多普勒效应的一般公式。
主要介绍了多普勒效应在医学、交通、探测、卫星通信、军事科技、影视艺术作品、气象监控等领域的应用：
如多普勒效应在天体脉塞和中子双星探测中的应用、卫星多普勒定位技术、激光雷达测风速、彩超在临床医学中的应用、超声多普勒血流仪等。
以具体实例的形式介绍了多普勒效应对人类科学发展的重要影响。
关键词：
多普勒效应；声波；光波
Abstract:
BasedonDopplereffectofsoundwavesandlightwavesasanexample,theacoustic,opticalandelectromagneticwavetheoryofDopplereffectindetail,thegeneralformulaofinduction,summarizestheDopplereffect.ThepaperintroducestheapplicationofDopplereffectinmedical,transportation,detection,satellitecommunication,militarytechnology,filmandtelevisionworksofart,meteorologicalmonitoringfields:
suchastheDopplereffectinastrophysicalmaserandneutronstarexplorationapplications,satelliteDopplerpositioningtechnology,lidarmeasuringwindvelocity,colorDopplerultrasoundinclinicalapplication,Dopplerultrasoundflowmeteretc..AconcreteexampleoftheimportantinfluenceoftheDopplereffectonthehumandevelopmentofscience.
Keywords:
Dopplereffect;Soundwave;lightwave
0引言
因波源和观测者有相对运动而出现的观测频率与波源频率不相等的现象，叫做多普勒效应[1]。
1842年，多普勒发表论文首次论述多普勒效应。
他推导出当波源和观察者有相对运动时，观察者接收到的波长频率会改变，在运动的波源前面波被压缩，波长变短，频率变高；在运动的波源后面波长变长，频率变低。
波源的速度越高，产生的这种频率变化越大。
观测频率变化的程度，可以计算出波源沿观测方向运动的速度。
从此关于多普勒发现的这种现象得到了人们的广泛关注，并拉开了研究多普勒效应及运用的序幕。
另外，在研究天体、人造卫星以及火箭的运动时，多普勒效应也是有效的方法之一；在道路交通上它被广泛应用于检查高速公路上行驶车辆的速度；在医学诊断上被用于检测内脏器壁或血球的运动速度；多普勒效应还浅析了光谱频带宽度和给出了“宇宙膨胀说”的依据等。
多普勒效应理论的重要性及应用的广泛性，由此可见一斑。
本文对多普勒效应及其表达式作了分析与研究，并对于多普勒效应在声、光、电及其卫星导航定位系统、临床医学、军事领域、天气雷达等各个方面最新的进展及应用作了详细介绍，从而让更多的人意识到研究多普勒效应的价值和其在日常生活中的应用。
1多普勒效应
多普勒效应（DopplerEffect）是奥地利物理学家及数学家克里斯蒂安·多普勒（ChristianDoppler，1803~1853）于1842年在他的文章“OntheColoredLightofDoubleStars”中首先提出的，因波源和观测者有相对运动而出现的观测频率与波源频率不相等的现象叫做多普勒效应。
多普勒效应已被广泛地应用于科学多个领域，如多普勒雷达、多普勒声纳、多普勒B超、多普勒测速仪、多普勒计程仪等等[2]。
1.1多普勒的一生及贡献
1803年11月29日，多普勒出生于奥地利的萨尔茨堡，其家族在萨尔茨堡经营石刻，生意兴隆，父母期望他能按照传统子承父业，可是他自幼体弱多病。
多普勒在萨尔茨堡上完小学后进入林茨中学，1822年，他的父母接受一位数学教授的建议，让多普勒到维也纳理工学院学习。
多普勒在数学方面显示出超常的水平，1825年他以各科优异的成绩毕业，之后回到萨尔茨堡教授哲学，后来又去维也纳大学学习高等数学、力学和天文学。
1829年，当多普勒结束维也纳大学的学习时，被任命为高等数学和力学教授助理，之后他当过工厂的会计员，后来又到布拉格一所技术中学任教，同时担任布拉格理工学院的兼职讲师；到1841年，多普勒才正式成为理工学院的数学教授。
多普勒治学严谨，曾经被学生投诉“考试过于严厉”而接受学校调查，繁重的工作和沉重的压力使多普勒的健康每况愈下。
1850年，他被委任为维也纳大学物理学院的第一任院长，可是3年后多普勒便在意大利的威尼斯去世，年仅49岁[3]。
1842年，多普勒发表论文首次论述多普勒效应。
他推导出当波源和观察者有相对运动时，观察者接收到的波长（频率）会改变，在运动的波源前面，波被压缩，波长变短，频率变高；在运动的波源后面，波长变长，频率变低[4]。
波源的速度越高，产生的这种频率变化越大。
观测频率变化的程度，可以计算出波源沿观测方向运动的速度。
多普勒还曾试图用这个原理来解释双星的颜色变化。
由于多普勒效应对双星的颜色影响极小，那时根本没有仪器能测量出这些变化。
不过从1845年，有人开始利用声波进行实验[5]，他们让一些乐手在火车上奏乐，请另一些乐手在月台上记录火车逐渐接近和远离时听到的音调，实验结果证明了多普勒效应[6]。
多普勒的研究范围还包括光学、电磁学和天文学，他设计和改良了很多实验仪器。
他才华横溢、创意无限，经常有各种奇思妙想，尽管并不是都可行，却经常能给别人以启迪。
1.2多普勒效应具体情况
在日常生活和科学观测中，经常会遇到波源和观察者相对于介质而运动的情况，当波源和观察者有相对运动时，观察者接收到的波的频率和波源发出的频率不同。
1.2.1波源静止观察者运动的情形
当波源不动，观察者以速率相对于介质运动时，观察者接收到的频率为
（1.1）
这表明，当观察者向着静止的波源运动时，其接收到的频率高于波源的频率。
上式中，为波源的频率，是波在静止介质中的传播速度。
当观察者远离静止的波源运动时，其接收到的频率为
（1.2）
这表明，当观察者背离静止的波源运动时，其接收到的频率低于波源的频率[7]。
1.2.2波源运动观察者静止的情形
当观察者不动，波源相对于介质以速率运动时，观察者接收到的频率为
（1.3）
这表明，当波源背离静止的观察者运动时，观察者接收到的频率低于波源的频率。
当波源远离观察者运动时，观察者接收到的频率为
（1.4）
这表明，当波源背离静止的观察者运动时，观察者接收到的频率低于波源的频率[2]。
1.2.3波源和观察者都运动的情形
若波源和观察者同时相对于介质分别以速率和速率相向运动时，观察者接收到的频率为
（1.5）
即观察者接收到的频率高于波源的频率。
若波源和观察者同时相对于介质相背运动时，观察者接收到的频率为
（1.6）
即观察者接收到的频率低于波源的频率。
综上所述，不论是波源运动还是观察者运动，或是两者同时运动，只要两者互相接近，接收到的频率就高于原来波源的频率；两者互相远离，接收到的频率就低于原来波源的频率。
值得注意的是，无论是观察者还是波源运动，虽然都能引起观察者所观测的波的频率的改变，但频率改变的原因都不同：
在观察者运动的情形中，频率的改变是由于观察者观测到完整波数目的增加或减少；在波源运动的情形中，频率的改变是由于察者观测到波长缩短或伸长了，即波长发生了变化。
我们知道，波源完成一次全振动，就会向外传出一个完整波长的波，波源的频率等于单位时间内波源发出的完整波的个数，而观察者听到的声音的音调，是由观察者接受到的频率决定的。
当波源和观察者有相对运动时，观察者接收到的频率会改变。
在单位时间内，观察者接收到的完整波的个数增多，即接收到的频率增大。
同样的道理，当观察者远离波源，观察者在单位时间内接收到的完整波的个数减少，即接收到的频率减小。
2多普勒效应的原理
多普勒效应也是一切波动过程共有的特征，不仅机械波有多普勒效应，电磁波，包括光波也有多普勒效应，多普勒效应有着许多实际的应用，现已在科学研究、空间技术、医疗诊断等各方面有着广泛的应用。
多普勒效应是波动中的一种普遍现象，不仅在弹性介质中传播的机械波（如声波）存在多普勒效应，而且不需任何介质也能传播的电磁波（如光波）也存在多普勒效应。
2.1声波和光波的纵向多普勒效应
为了方便问题的讨论，我们假设波源与观测者在同一直线上运动，运动方向为轴，波源相对于介质的运动速度为，观测者相对于介质的运动速度为，波相对于介质的运动速度为，如图1所示。
图1波源和观测者相对运动
S
图1波源和观测者相对运动
R
图1波源和观测者相对运动
由图1我们得到普遍适用的纵向多普勒效应频移公式[8]
（2.1）
其中为观测者所观测到的波的频率，为波源所发出的波的频率，为光速。
2.1.1声波的纵向多普勒效应
声波的传播速度远小于光速，因而声波不符合相对论原理。
当观测者相对于介质的运动速度或波源相对于介质的运动速度超过声波的传播速度时，观测者或波源运动到声波的前面，声波的多普勒效应不再有任何物理意义，因此有，，/，/。
于是由（2.1）式得声波的纵向多普勒频移公式
（2.2）
其中为观测者所观测到的声波频率，为声源所发出的声波频率。
由（2.2）式可知，处于分子而处于分母，这表明声源的运动或观测者的运动所引起的频率的改变是不相同的。
假如声源与观测者之间的相对运动速度一样，则声源运动、观测者不动，或者观测者运动、声源不动，或者两者都运动，观测者所观测到的多普勒频移的结果是不一样的。
因此，声波的纵向多普勒效应不仅与声源的运动有关，而且还与观测者的运动有关。
2.1.2光波的纵向多普勒效应
光波的传播速度为，与参照系的选取无关，因而光波符合相对论原理。
设观测者与光源的相对运动速度为，则根据洛仑兹速度合成法则有
（2.3）
设光源所发出的光波频率为，观测者观测到的光波频率为。
光波的传播速，
即，于是由（2.1）式得
将上式与（2.3）式联合解方程组，即可得到光波的纵向多普勒频移公式
（2.4）
由（2.4）式可知，光波的纵向多普勒效应仅决定于观测者与光源之间的相对运动速度，即无论是观测者运动、光源不动，或者是光源运动、观测者不动，或者是两者都运动，只要观测者与光源之间的相对运动速度一样，观测者所观测到的多普勒频移的结果是一样的，或者说，我们不能通过观测光波的多普勒效应来确定光源和观测者到底谁在运动。
因此，声波和光波都存在纵向多普勒效应，但声波的纵向多普勒效应不仅与声源的运动有关，而且与观测者的运动也有关，而光波的纵向多普勒效应却只与光源和观测者之间的相对运动速度有关。
2.2声波和光波的横向多普勒效应
为了方便问题的讨论，我们假设观测者相对于介质静止，波源相对于介质以速度运动，运动方向跟连线相垂直，波相对于介质的传播速度为。
以静止的观测者建立静止参照系，运动的波源建立运动参照系。
设波源开始时位于，经过一段微小的时间后运动到处，波源在处发射位相为的波的时刻，相对于静止参照系是0，而相对于运动参照系是，波源在处发射位相为的波的时刻，相对于静止参照系是，而相对于运动参照系是。
设波源所发射的波的频率为，则有
（2.5）
对于观测者，其接收到波源所发出的位相为的波的时刻为
（2.6）
其所接收到波源所发出的位相为h的波的时刻为
（2.7）
观测者所观测到的波的频率为，则有
（2.8）
由（2.6）式和（2.7）式得
（2.9）
我们在上取一点，使得，则，由于我们讨论的时间间隔很短，故也很短，可以认为⊥，于是有
（2.10）
上式中是微小量，也是微小量，故是二级微小量，略去不计，则有，（2.9）式变为
（2.11）
由（2.5）、（2.8）和（2.11）式得
（2.12）
其中，为运动参照系波源S上的时间间隔，为静止参照系观测者上的时间间隔。
2.2.1光波的横向多普勒效应
光波的传播速度为常数c，其与所选的参照系无关，因而光波符合相对论原理，其时空变换关系符合洛仑兹变换，即有
（2.12）
把上式代入（2.11）式得
升级会员 