Efekt ten został po raz pierwszy zbadany przez Christiana Andreasa Dopplera w roku 1845 i to właśnie stąd wziął swoją nazwę. Przeprowadził on ciekawy eksperyment w którym poprosił grupę muzyków, aby ta wsiadła do pociągu i w czasie podróży grała cały czas jeden określony ton. Gdy pociąg się poruszał zbliżając się i oddalając od naukowca, obserwował on że dźwięk dochodzący z niego stawał się wyższy, w miarę zbliżania się pociągu do niego, a niższy, gdy pociąg się od niego oddalał. Co najważniejsze, zmiana w częstotliwości odbieranego dźwięku była dokładnie taka sama, jaką wcześniej obliczył Doppler. Jednak aby dobrze zrozumieć to zjawisko, należy sobie przede wszystkim uświadomić, że nie polega ono na zmianie natężenia dźwięku. Może się nam wydawać, że wówczas dźwięk staje się silniejszy i głośniejszy, ale to tylko złudzenie. Tak naprawdę to zjawisko to polega na zmianie częstotliwości sygnału akustycznego, czyli zmianie odległości pomiędzy kolejnymi maksimami fali akustycznej. Źródło dźwięku emituje fale dźwiękowe, które charakteryzują się pewnym okresem. Jeżeli to źródło nie porusza się to okres ten, czyli odległość pomiędzy kolejnymi maksimami lub minimami fali jest stała. Jednak w przypadku gdy źródło się porusza to kolejne maksima lub minima emitowane są po przesunięciu źródła, czyli są one bliżej, lub dalej od poprzednio wyemitowanych i w ten sposób dochodzi do zmiany okresu fali, czyli także jej częstotliwości.
Prawo Dopplera
Gdy obserwator i źródło fali poruszają się względem siebie, to w czasie jednego okresu fali T0, źródło pokonuje odległość:
S = vźr T0
Gdzie vźr oznacza prędkość z jaką porusza się źródło fali.
Tak, więc, podczas emitowania fali przez źródło przesunie się względem obserwatora o odległość s, a to z kolei oznacza, że długość rejestrowanego przez obserwatora fali ulegnie zmianie i będzie wynosić:
λ = λ0 ± vżr T0
gdzie λ0 oznacza długość fali emitowaną przez źródło
Gdy uwzględnimy zależność istniejące pomiędzy długością fali, a częstotliwością i prędkością fali, to możemy uzyskać następujący ogólny wzór na rejestrowaną przez obserwatora częstotliwość fali, emitowaną przez poruszające się względem niego źródło:
gdzie f0 oznacza częstotliwość emitowanego sygnału przez źródło, a u oznacza prędkość rozchodzenia się fali w danym ośrodku. Znak + odpowiada oddalaniu się źródła od obserwatora, natomiast znak - jego przybliżaniu.
Jeżeli dokładniej zanalizujemy przedstawione fakty i wzory to dojdziemy do wniosku że efekt Dopplera praktycznie dotyczy tylko takich sytuacji, w których prędkość rozchodzenia się fali jest dużo większa niż prędkość poruszającego się źródła względem obserwatora. W innych przypadkach mamy do czynienia z trzema rodzajami sytuacji:
- gdy źródło porusza się względem obserwatora (stałego), przy czym prędkość z jaką się porusza jest znacznie mniejsza niż prędkość rozchodzenia się fali, a dodatkowo prędkość z jaką porusza się źródło względem obserwatora jest dużo mniejsza od prędkości światła.
- gdy obserwator porusza się względem źródła (stałego), przy czym prędkość z jaką się porusza jest porównywalna z prędkością rozchodzenia się fali. I tu także dodatkowo nakładamy warunek aby prędkość obserwatora była dużo mniejsza od prędkości światła
- przypadek relatywistyczny, gdy prędkość źródła względem obserwatora jest bliska prędkości światła.
