了不起的物理

16 會車的聲音為什麽忽高忽低:多普勒效應

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你有沒有發現生活中的一種現象?當你乘坐一輛汽車,迎麵駛來一輛鳴笛的救護車,你坐在車裏聽到救護車的聲音,音調會變高,當它離你而去的時候,音調又變低了,但坐在救護車裏的人聽到的聲音音調是不會變化的,這就是“多普勒效應”。

我們知道聲音是一種機械波,聲波其實就是介質的振動。比如,你能聽見我說話,是因為空氣振動傳遞到了你的耳朵裏。波的形態一般可以描繪成波浪狀。

我們聽到聲音音調的高低,其實是由聲波的頻率來體現的。頻率越高的聲音,聽上去音調就越高,反之則越低。

波長和頻率基本上描述的是同一件事。所謂波長,就是一個完整的波的長度,頻率則是一秒鍾的振動次數,頻率越高則波長越短,頻率越低波長就越長,波長和頻率成反比。

理解了音調高是頻率變高且波長變短、音調變低是頻率變低且波長變長以後,就可以理解什麽是多普勒效應了。當波的接收者和波源存在相對運動的時候,接收者接收到波的頻率和波源發出的頻率不一樣。當我們聽到音調變高了,其實是我們接收到聲波的頻率變高了,反之亦然。但是用頻率來分析很難看出裏麵的原因,我們可以轉換到波長的視角來看。當我們聽到音調變高了,其實是聲音的波長變短了,當我們聽到音調變低了,其實是聲音的波長變長了。

為什麽會這樣呢?我們可以這樣考慮:波源發出波的時候,是先發出一個波頭,在空中劃過一個波長的距離,最後發出一個波尾。但如果這個時候波源再向我們靠近的話,在劃出整個波的這段時間裏,波源已經前進了一段距離,也就是當波源最終發出波尾的時候,波尾的位置已經比原本聲源不動時候的位置要靠前了。於是這個波源發出的波就比原本的波的波長短了。對於接收者來說,波長短了,頻率就高了。