觀念物理第四部

25.9　

　　都卜勒效應設想在一泓靜水的中央，有一隻小蟲不停地划水，如圖25.14所示。如果小蟲只是在固定位置上踏水，絲毫沒有移動身體，那麼牠所產生的波紋，由於向四周傳播的波速相同，故成為一圈圈的同心圓。又如果小蟲子踏水的頻率不變，一圈圈波紋間的距離（即波長）也就不變。圖中A點與B點受到波的擾動的頻率一樣，換言之，小蟲周圍的水面上任何一點，都如A點及B點一樣，有相同的波動頻率，而這也就是蟲子划水的頻率。

　　再來，假設小蟲划動前進，而且前進的速率比牠產生的波速要慢。結果我們會看到小蟲子追逐牠前面的波紋前進，波紋的圖形不再是同心圓了（如圖25.15所示）：最外圈的波紋是最先在那圓圈中心時產生的波，其內較小的一圈，則是小蟲前進到該圓圈中心時划出來的波，依此類推。各圈波紋的中心會沿著小蟲的前進方向移動，雖然牠划水的頻率一直不變，但在B點的觀測者，會覺得波峰傳來得更頻繁，也就是B點接受到的波有比較高的頻率；其中的原因在於，抵達B點的波，相鄰兩波峰間的距離愈來愈短，所以波動到達B點的頻率，比小蟲子停在原處、而非游向B點時要高。

　　相反的，在A點觀測時，因為前後波峰抵達該點的時間間隔增加，接受到波的頻率就降低了。由於小蟲子離觀測點愈來愈遠，每個波峰都要比前一個波峰多走些距離才能抵達該點，因此在A點接受波峰的次數也就不那麼密集。這種因為波源（或接受器）的運動導致頻率改變的現象，叫做都卜勒效應；該效應的命名是為了紀念奧地利科學家都卜勒。波源的速率愈快，都卜勒效應就愈大。

　　水波只能在二維的平面擴張，聲波及光波則在三維空間擴張，像氣球般向四面八方膨脹。正如前面的例子，在水面上划行的小蟲子使前方圓形波的波峰變得更密，聲波及光波也一樣，運動中的波源也會讓前方的波峰比較密集，使得波源前方的接受器收到的頻率比波源後面收到的要高。

　　如果有輛汽車按著喇叭從你身旁經過，你會聽到喇叭的音調明顯發生變化，這就是都卜勒效應。汽車向你接近時，喇叭的音調比正常的高，因為你接受到較高頻率的喇叭聲；汽車掠過身旁離你而去的時候，喇叭聲波到達你耳朵的次數比較稀疏，頻率減小，所以音調變低。

　　高速公路上的警察就是利用雷達波的都卜勒效應，來測車速。雷達波是一種電磁波，頻率比光波的頻率低，但比無線電波高。警察將雷達波射向快速移動的車輛，再把反射波接收回來，由雷達儀器中的電腦將射出的雷達波與反射波之間的頻率加以比較，就可算出雷達系統與目標車之間的相對速率，即能決定目標車的速率（圖25.17）。

　　光波也會發生都卜勒效應。光源向接受器前進時，測到的光波有較高的頻率，而當光源離開時，測到的頻率會變低。頻率增加叫做藍向移位（簡稱藍移），因為光譜中藍光的頻率較高，反之，頻率減少的現象叫做紅向移位（簡稱紅移），因為紅光的頻率較低。

　　舉例來說，遙遠星系射到地球來的光呈現紅移現象，天文學家可測定移位的大小，藉此計算出這些星系遠離地球的速率；此外，一顆疾速自轉的恆星在轉離地球一面時是呈現紅移現象，而在轉向地球一面時呈現藍移，我們也可以用觀測到的數值，計算該恆星的自轉速率。

● Question
　　當波源衝向你的時候，你所測出來的波速會比固定波源的波速變大呢？還是變小呢？

● Answer
　　不變大也不變小！波源運動時，發生變化的是頻率，不是波速。我們必須將頻率跟波速分清楚：波的振動快慢，與波在兩點間傳播的快慢，是全然不同的兩件事。

25.9　

　　都卜勒效應設想在一泓靜水的中央，有一隻小蟲不停地划水，如圖25.14所示。如果小蟲只是在固定位置上踏水，絲毫沒有移動身體，那麼牠所產生的波紋，由於向四周傳播的波速相同，故成為一圈圈的同心圓。又如果小蟲子踏水的頻率不變，一圈圈波紋間的距離（即波長）也就不變。圖中A點與B點受到波的擾動的頻率一樣，換言之，小蟲周圍的水面上任何一點，都如A點及B點一樣，有相同的波動頻率，而這也就是蟲子划水的頻率。

　　再來，假設小蟲划動前進，而且前進的速率比牠產生的波速要慢。結果我們會看到小蟲子追逐牠前面的波紋前進，...

第四部　聲與光第25章　波與振動25.1單擺的振動25.2波是什麼？25.3波動25.4波速25.5橫波25.6縱波25.7干涉25.8駐波25.9都卜勒效應25.10船頭波25.11衝擊波第26章　聲音26.1聲音的起源26.2空氣中的聲波26.3傳播聲音的介質26.4聲速26.5響度26.6強迫振動26.7固有頻率26.8共振26.9聲波的干涉26.10拍第27章　光27.1早期對於光的觀念27.2光速27.3電磁波27.4光與透明物質27.5不透明物質27.6陰影27.7偏振27.8偏振光及3D視覺第28章　顏色28.1可見光譜28.2顏色與反射28.3顏色與透射28.4陽光28.5有色光的混色28.6互補色28.7顏料的混色28.8天空為何是藍色？28.9夕陽為何是紅色？28.10水為何是青色？28.11原子的顏色規則──原子光譜第29章　反射與折射29.1反射29.2反射定律29.3平面鏡29.4漫射29.5聲音的反射29.6折射29.7聲音的折射29.8光的折射29.9大氣的折射29.10稜鏡中的色散29.11彩虹29.12全反射第30章　透鏡30.1會聚透鏡與發散透鏡30.2透鏡成像30.3用作圖法定像30.4關於成像的總結30.5常用的光學儀器30.6眼睛30.7幾種視力缺陷30.8透鏡的缺陷──像差第31章　繞射與干涉31.1惠更斯原理31.2繞射31.3干涉31.4楊氏干涉實驗31.5薄膜的單色干涉31.6薄膜所生成的虹彩31.7雷射光31.8全像附錄E　光的向量性質

第四部　聲與光第25章　波與振動25.1單擺的振動25.2波是什麼？25.3波動25.4波速25.5橫波25.6縱波25.7干涉25.8駐波25.9都卜勒效應25.10船頭波25.11衝擊波第26章　聲音26.1聲音的起源26.2空氣中的聲波26.3傳播聲音的介質26.4聲速26.5響度26.6強迫振動26.7固有頻率26.8共振26.9聲波的干涉26.10拍第27章　光27.1早期對於光的觀念27.2光速27.3電磁波27.4光與透明物質27.5不透明物質27.6陰影27.7偏振27.8偏振光及3D視覺第28章　顏色28.1可見光譜28.2顏色與反射28.3顏色與透射28.4陽光28.5有色光的混色28.6互補色28.7顏料的混色28.8天空為何是藍色...