光のドップラー効果に関する 3 つの事実:何、どのように、例と FAQ

ドップラー効果は音波だけでなく、 光の波. では、まず光のドップラー効果とは何かを分析してみましょう。

光のドップラー効果は、光の変化として定義されます。 周波数 観察者と光源の相対運動の結果として観察者が見る光の量。 その結果、光のドップラー効果は光のドップラー効果と同じように発生すると言えます。 .

光のドップラー効果について知ったので、この記事では、相対論的ドップラー効果、その式、実際の例などを詳しく見ていきます。

ドップラー効果は光でどのように機能しますか?

光は、使用される参照フレームに関係なく、常に同じ速度で移動します。 唯一の変化はそのエネルギーです。 では、ドップラー効果が光でどのように機能するかを見てみましょう。

光の波長は、光のエネルギーを決定します。 このように、光源と観測者が相対的に移動している間、光源が放出する光の波長は、観測者が知覚するときに変化します。 この現象はドップラー効果と呼ばれています。

光の例のドップラー効果:

光のドップラー効果という現象は、実生活でも起こります。 以下の例で見てみましょう。

  • 宇宙の膨張により、遠くの物体 (星など) から得られる光は赤方偏移します。
  • 通過する車の速度は、光のドップラー効果を利用したスピードカメラで測定されます。

光の相対論的ドップラー効果:

光のドップラー効果は、観測者と光源の相対運動により見られます。 では、光の中での相対論的ドップラー効果を詳しく見てみましょう。

オブザーバーは周​​波数を持つ波を取得します f または、光源と観測者が両方とも静止している場合の波長 𝜆。 フレーム内の光源が波長 𝜆 の光を発するとします。s 時間 ts 静止座標系から速度 v. (一定と仮定) で遠ざかります。

光源が観測者から遠ざかると、観測者が受信する波長が引き伸ばされます

による 特殊相対論 理論的には、時間と長さの間隔の変化は観測者の相対運動に依存しています。 したがって、ローレンツ変換方程式を相対的に移動する座標系に適用すると、観測者によって測定された波長について次の方程式が得られます。

(𝑣 = ᥆ のとき、𝜆o =𝜆s)

しかし、 𝜆 / t = c (c は光速)

したがって、上記の式は次のように記述できます。

上記の式を単純化すると、観測者によって観測される波長が得られます。

方程式(1)

この方程式は、ソースが観測者から遠ざかっていることを前提としています。 したがって、速度 v は、ソースが観測者から遠ざかるときは正であり、ソースが観測者に向かって移動するときは負です。

この方程式は、ソース周波数と観測周波数に関して次のように表すことができます。

fo = c / 𝜆o

このように、

式(2)

式 (1) と (2) は、ドップラー効果に必要な式です。

赤方偏移と青方偏移:

光の周波数がその色を定義します。 相対運動によって発生するソースとオブザーバーの周波数の変化は、 赤方偏移 そしてブルーシフト。 それが何を意味するのか見てみましょう。

  • 光源が観測者から遠ざかると、観測者は光源よりも低い周波数の波を受け取ります。 赤色が可視スペクトルの中で最も低い周波数を持つという事実は、スペクトルの赤色端へのシフトを生み出します。 天文学では赤方偏移として知られています。
  • 光源が観察者に近づくにつれて、観察者は光源よりも高い周波数の波を受け取ります。 青色が可視スペクトルの中で最も高い周波数を持っているという事実は、スペクトルの青色端へのシフトを生み出します。 天文学では青方偏移として知られています。
画像のクレジット: Redshift_Blueshift 沿って、 アレシュ・トショフスキー (CC BY-SA 3.0)

結論:

この記事では、音と同じように、光波もドップラー効果を経験することを示しています。 この現象は、発光体と観測者の相対速度によって発生します。 光のドップラー効果により、宇宙が膨張しているという考えにたどり着きました。

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