Efekt Dopplera to bardzo ciekawe zjawisko fizyczne:

  • zachodzi między źródłem fali (np. dźwiękowej, świetlnej), a jej odbiornikiem
  • polega na tym, że: wzajemna zmiana położenia źródła fali i jej odbiornika powoduje zmianę częstotliwości fali
  • a dokładnie: gdy odległość miedzy źródłem, a odbiornikiem fali rośnie, to częstotliwość fali maleje i odwrotnie.

Jako pierwszy zjawisko to opisał Doppler w roku 1842 - jego opis dotyczył głównie zmiany koloru światła pochodzącego z gwiazd binarnych obserwowanego z Ziemi. Doppler stwierdził, że najprawdopodobniej zmiany te wynikają z ruchu gwiazd. Szczegółowym zbadaniem tego zjawiska na powierzchni Ziemi zajął się Christoph Hendrik Diederik Buys Ballot w 1845 r. Przeprowadził on wtedy nietypowe doświadczenie - sam jako obserwator siedział na peronie kolejowym, a grupę muzyków, poprosił, by wsiadła do pociągu i cały czas grała jeden tylko ton. To co zauważył idealnie zgadzało się z obliczeniami Dopplera. Mianowicie, ton dźwięku stawał się coraz niższy, gdy pociąg się oddalał, a odwrotnie, gdy pociąg się przybliżał - obserwator słyszał wtedy coraz wyższy ton dźwięku.

Istotą tego zjawiska jest to, że tak naprawdę dźwięk emitowany jest cały czas na jednej wysokości, a tylko obserwator słyszy zmiany jego tonu. Wszystko to spowodowane jest przez ruch źródła dźwięku (lub obserwatora). Wyjaśnijmy dlaczego:

  • emisja dźwięku polega na wysyłaniu przez źródło kolejnych fal w pewnych odstępach czasu
  • odstępy te nie zmieniają się gdy ani źródło, ani obserwator się nie poruszają - wtedy nie zachodzi efekt Dopplera
  • odstępy między kolejnymi falami zmieniają się gdy źródło lub obserwator wzajemnie się oddalają lub przybliżają.

W 1848 r. Armanda Fizeau odkrył, że zjawisko Dopplera zachodzi również dla fal elektromagnetycznych.

Różne postacie prawa Dopplera

Analizując powstawanie zjawiska Dopplera, musimy pamiętać, że zachodzi ono w wyniku ruchu nie tylko samego źródła fali, ale również w przypadku ruchu obserwatora - odbiornika fali. Powinniśmy również uwzględnić, czy ruch fali jest mniejszy, czy też bliski prędkości światła.

Podsumowując efekt Dopplera zachodzi w trzech przypadkach:

1. Vźrodła ≠ 0, Vodbiornika = 0.

Vźrodła względem obserwatora jest znacznie mniejsza od prędkości światła - c,

2. Vźrodła = 0, Vodbiornika ≠ 0.

Vodbiornika względem źródła jest znacznie mniejsza od prędkości światła - c,

3. Vźrodła = 0, Vodbiornika ≠ 0.

Vodbiornika względem źródła jest porównywalna z prędkością światła - c.

Jest to tzw. przypadek relatywistyczny.

Każdemu z wyżej wymienionych przypadków przyporządkowane są inne wzory opisujące efekt Dopplera. Dla pierwszych dwóch, wartości otrzymywane ze wzorów są niemal takie same. Nie da się jednak do tych dwóch przypadków sprowadzić również trzeciego - relatywistycznego. Relatywistyczna postać prawa Dopplera uwzględnia bowiem rozchodzenie się fal w próżni oraz tzw. efekt poprzeczny (w wyniku zmiany częstotliwości fali elektromagnetycznej w poprzek kierunku źródło - obserwator, zjawisko Dopplera zachodzi również poprzecznie). W próżni obydwa przypadki zarówno ruchu źródła względem spoczywającego obserwatora, jak i przypadek odwrotny utożsamiamy tylko i wyłącznie z ruchem obserwatora względem źródła z prędkością równą c.