Эффект доплера на рисунках

Эти опыты являются только «живыми» картинками, иллюстрирующими эффект Доплера. Модели и опыты, проделанные на этих моделях, условны, как и схема и рисунки, изображающие волновые процессы. Только вы увидите не неподвижное изображение в виде рисунков или чертежей, а меняющиеся на ваших глазах изображения.
Моделей будет две. Одна очень простая, на ней «волны» будут только сжиматься, а следовательно, их частота увеличиваться. Вторая, более сложная модель даст нам возможность наблюдать, как происходит и сжатие «волн» и их удлинение. Для первой модели возьмите кусок плотной рисовальной бумаги размером 20X25 сантиметров и начертите на ней черной тушью полоски длиной примерно 15 сантиметров и шириной 0,5 сантиметра. Промежуток между полосками сделайте такой же ширины — 0,5 сантиметра. Расстояние, которое занимает черная и белая полоски, будет у нас означать длину волны, одно полное колебание.
На другом куске бумаги (можно немного меньшего размера) сделайте посередине вертикальное окошко размером 1,5x3,8 сантиметра.
Возьмите в левую руку листок с «волнами», а в правую листок с окошком. Смотрите сквозь окошко на расположенные вертикально «волны» и начните быстро двигать листки навстречу друг другу. Движения обеих рук должны быть очень быстрыми. Тогда в окошечко вы увидите, как наши «волны» стали уже. Опыт нужно проделывать так, чтобы над листком с окошком были видны ничем не загораживаемые черные полоски. Они будут служить вам эталоном для сравнения, и вы ясно увидите разницу в размере «волн».
Этот же опыт можно проделать еще проще. Помните, когда у нас был разговор о частоте, мы пользовались расческой? Возьмите расческу и листок бумаги с окошечком и, держа расческу горизонтально в левой руке, а окошко в правой, проделайте те же колебательные движения, но не очень быстро. Лучше этот опыт делать на светлом фоне. Рассматривать нужно ту половину расчески, где зубья крупнее и промежутки больше. При встречных колебаниях расчески и окошка вы увидите в окошко, что зубья и промежутки сузились и стали примерно такими же, как в той половине расчески, где зубья мельче.
А теперь проделайте такой опыт.
Нарисуйте на листе бумаги на расстоянии 8 миллиметров друг от друга на одном уровне несколько черных кружков диаметром по два сантиметра.
Возьмите листок с кружочками в левую руку, а листок с окошком в правую и начните быстро двигать листочки навстречу друг другу, как вы это делали и раньше. В мелькающее окошко вы увидите, что черные кружки сузились, превратились в эллипсы, а расстояние между кружками, теперь ставшими эллипсами, тоже сузилось.
Более полный вариант этого опыта можно проделать с помощью электрического проигрывателя или пружинного патефона. Скорость вращения диска должна быть максимальная, то есть 78 оборотов в минуту.
Вырежьте из картона кружок по размеру диска проигрывателя. Если картон не белый, наклейте на него белую бумагу. Разделите кружок на 12 частей и, отступя от края на 1,5 сантиметра, начертите циркулем 12 кружков диаметром 2,2—2,5 сантиметра. Кружки закрасьте черной краской. В центре картонного круга сделайте отверстие и наденьте на диск проигрывателя.
Во втором таком же картонном диске на расстоянии 1,5 сантиметра от края прорежьте, на одинаковом расстоянии друг от друга, 6 отверстий, имеющих форму трапеций: широкое основание — 2,2 сантиметра, узкое — 1,5 сантиметра, высота — 2,2 сантиметра. В центре диска сделайте небольшое отверстие. Наденьте на длинный гвоздь маленький картонный кружок, а затем диск с прорезями. Когда вы держите гвоздь вертикально, шляпкой вниз, картонный диск должен легко вращаться, если его крутнуть рукой.
Приступим к опыту. Запустите диск проигрывателя с надетым на него вместо пластинки картонным кругом с нарисованными черными кружочками. Поместите над вращающимся кругом диск с прорезями и, приведя его рукой во вращение в противоположную сторону, наблюдайте через мелькающие прорези, что происходит на диске проигрывателя. Нарисованные черные кружочки по экватору стали уже. Они сжались и превратились в черные эллипсы. Меняя скорость вращения картонного диска на гвозде, можно добиться очень четкого, устойчивого изображения. Здесь имитировалось движение наблюдателя навстречу звуку. «Волны» стали короче, частота увеличилась.
А теперь посмотрим, что случится с «волнами» (в нашем опыте их роль выполняют черные кружочки), если наблюдатель отстает от волн. Произойдет удлинение «волн», то есть черные кружочки раздуются по экватору, превратятся в эллипсы, лежащие «на боку». В этом легко убедиться, если картонный круг на гвозде вы будете вращать в ту же сторону, что и диск проигрывателя. При определенной скорости вращения круга, который вы держите на гвозде, а она должна быть чуть меньше скорости диска проигрывателя, вы ясно увидите, как наши «волны» удлинились по экватору.
Для того чтобы лучше следить за трансформацией черных кружков, вращающийся диск проигрывателя нужно очень хорошо осветить.
Картонный диск на гвозде не обязательно должен быть расположен параллельно диску проигрывателя, можно его держать с некоторым наклоном.

Тайна «красного смещения»

Разгадывая загадку «красного смещения», ученые поняли, что это — проявление эффекта Доплера у световых волн.
Если звезда, источник световых волн, удаляется или приближается к нам (а вы сами понимаете, что это происходит на космических скоростях), то должна изменяться и длина световых волн, которые эта звезда излучает.
Сейчас астрономы широко пользуются эффектом Доплера не только для того, чтобы узнать, от нас или к нам летят наблюдаемые звезды и даже далекие чужие галактики, но и с какой скоростью происходит это движение.
Как же осуществляются эти наблюдения?
Спектр Солнца или звезд имеет на своей радужной полосе темные линии. Эти линии находятся на строго определенных местах спектра. Когда свет от раскаленного тела (Солнца или звезды) проходит через более холодный газ какого-нибудь химического элемента, окружающего это раскаленное тело, то этот сравнительно холодный газ «вынимает» из сплошного спектра тот кусочек спектра, тот цвет, который он сам мог бы излучать, если его раскалить до нужного свечения. Выше приводился пример с парами металла натрия: когда они сами светятся, мы видим в спектроскоп яркую желтую линию. Но когда через несветящиеся пары натрия пропускается сплошной спектр, то на нем появляется в желтой его части черная полоска. Эта полоска находится на определенном месте шкалы, и поэтому точно известно, волны какой длины этот участок спектра испускает. Но если натриевая полоска сдвинута, например, к красной части спектра, то есть оказалось, что у паров натрия длина волны не та, какая должна быть, а увеличилась,— это значит, что изучаемая звезда летит от нас. По величине сдвига линии натрия с ее законного места можно вычислить ту скорость, с какой эта звезда летит.
Это очень упрощенный пример. На спектрах звезд много черных линий, говорящих о самых разных химических элементах, которые содержатся в атмосфере этих звезд. Как говорилось, черные линии в спектре возникли, когда световые лучи, выходящие из раскаленных недр звезд, проходили через более холодную атмосферу звезды. По сдвигу черных линий, по величине этого сдвига от того места спектра, на котором им полагалось бы находиться, ученые и делают свои выводы.
Расстояние до наших космических соседей очень велико. Расстояния во Вселенной измеряются миллиардами световых лет. Недавно была открыта новая галактика, расположенная от нас на расстоянии 8 миллиардов световых лет!
Чтобы представить себе величину светового года, нужно вспомнить, что свет за секунду проходит 300 000 километров. Какое же расстояние пройдет свет за минуту, час, сутки, месяц, год?
Все, что мы с вами видим сейчас на небе в отдаленных местах Вселенной, все, что видят ученые в свои мощные телескопы, все это не то, что там существует в данный момент.
До нас доходят лучи, вылетевшие из своих источников очень давно. И возможно, что некоторых звезд уже и нет, а мы их еще видим...

Тема 8 Опыты в воздухе

Дата добавления: 2015-11-26