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ドップラー効果とは

ドップラー効果とは

ドップラ効果とは音波や電磁波など波の発生源と観測者との相対的速度によって、波の周波数が異なって観測される現象を言います。

音波や電磁波などは一定条件下で決まった速度で進行します。静止した発生源から発せられた波が、静止した観測者に到達して観測される周波数は、
時間差はあるものの同一周波数です。

しかし発生源が観測者に近付いてきた場合は、波の振動周期が詰まり観測者には周波数が高くなって観測されます。
逆に遠ざかった場合は低くなって観測されます。

身近なところでは救急車がサイレンを鳴らしながら人の前を通過した場合や、駅のホームで電車を待っているときに
急行電車が警笛を鳴らしながら通過した場合に、その人は聞こえる音が変化する現象を体験することになります。

急行電車の場合を例にとり、このとき聞こえる周波数F(Hz)は元の警笛の周波数をf(Hz)、音の伝搬速度をV(m/s)、電車の速度をVt(m/s)、人がホームで歩いていた場合
その速度をVh(m/s)とし、人がホームの先端を目指し歩いて、電車が後ろから追いかけるものとすると聞こえる周波数は

F=f×(V-Vh)÷(V-Vt)

なる公式を先人たちが見出しました。

ここで注意しなければならないのが、上記公式で観測者の移動方向と音源の移動方向によって人(観測者)の速度Vhと電車(音源)の速度Vtの極性が異なることです。
観測者の速度Vhの極性は音源と同じ方向に進むと正(V-(+Vh))=(V-Vh)、音源と逆に進むと負(V-(-Vh))=(V+Vh)となります。

また音源の速度Vtの極性は、観測者に近づく場合は正(V-(+Vt))=(V-Vt)、遠ざかる場合は負(V-(-Vt))=(V+Vt)となります。
具体的数値を使用して、どの程度変化するか計算してみます。警笛の周波数fを仮に500(Hz)、音の伝搬速度Vを340(m/S)、電車の速度が時速50kmで
これを秒速にするとVt=13.9(m/s)、人が歩く速度Vh=1(m/s)とします。ホームに入ってくるときに聞こえる周波数は

F=500×(340-1)÷(340-13.9)=519.8(Hz)
HP3810242_Pic1

 目の前を通過する一瞬500(Hz)が聞こえ、通過していった場合の周波数は

F=500×(340-1)÷(340+13.9)=478.9(Hz)

HP3810242_Pic2

ここでは、音に関して述べましたが、光を含む電磁波でも同様な現象が起こっています。

急行電車のヘッドライトはホームに入ってくる前方から観察すると周波数が高くなるので元の白色ではなく青っぽく見えて、
通過していくと赤のほうに変化しているはずです。
しかし、実際の現象では、光の速度は3×108(m/s)と高速であり、また光の周波数は数百THzオーダーと高周波であるので変化比が小さいため
人が直接感じることはできません。

音、レーザ、超音波などを使って、いろいろな手法で光のドップラ効果を利用した速度測定器などが実現されています。

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