Naturfag – Lydbølger, lys og dopplereffekten

Posted i kategorien Naturfag on the 04.02.2012
Download PDF

Hva er Dopplereffekten?

Eksempel

Dopplereffekten er når frekvensen av en lysbølge eller lyd er avhengig av hastigheten mellom observatøren og kilde. Et eksempel på dette kan være en isbil. Når isbilen nærmer seg, møter øret vårt på flere svingninger i bølgetoppene per sekund enn når det fjerner seg. Man hører altså først og fremst en høy lyd når isbilen nærmer seg, men når den kjører forbi blir lyden svakere og dypere.

Dopplereffektens oppdagelse

Christian A. Doppler

Christoph Hendrik Diederik Buys Ballot

Armand-Hippolyte Fizeau

Dopplereffekten ble foreslått i 1842 av Christian A. Doppler. Han nevnte dette i monografien Über das farbige Licht der Doppelsterne und einige andere Gestirne des Himmels. Etter denne oppfatningen ble flere vitenskapsmenn nysgjerrige, og den første til å ta initiativet til å teste ut denne nevningen var nederlenderen Christoph Hendrik Diederik Buys Ballot. Den nederlandske vitenskapsmannen testet den ut ved hjelp av et jernbanetog og hornblåsere. Under dette eksperimentet forklarte han at tonehøyden var høyere når jernbanen nærmet seg, og lavere når den dro. Alt dette forklarte han allerede i 1845. Men dette var ikke stoppen for dopplereffekten den franske Armand-Hippolyte Fizeau oppdaget noe helt uten noe peiling på Doppler og Buys Ballot sin teori i 1848. Forskjellen på oppdagelsen til den franske vitenskapsmannen var at han oppdaget samme prosessen hos elektromagnetiske bølger. Derfor kalles ofte denne effekten «effet Doppler-Fizeau» i Frankrike.

Dopplereffektens oppgaver

Himmelegeme

Blått og rødt

Forskyvelse av galakser

Dopplereffekten måler himmellegemes hastighet i synslinjens retning. Denne effekten har virkelig stor mening i astronomien.  Om spektrallinjene er skyvet mot blått(høyere frekvens) nærmer det seg, er de samme linjene forskjøvet mot rødt(lavere frekvens) da fjerner himmellegemet seg. Vi kan si at forskyvningens størrelser øker med hastigheten. Teorien om at rødforskyvningen stiger med stigende avstand og at linjene i lys av galakser stort sett er forskjøvet mot lavere frekvens, blir bevist av dopplereffekten ved hjelp av at fjerntliggende galakser skyves unna vårt solsystem med en stor fart. På en annen måte kan vi si at universet utvider seg.

Bruken av dopplereffekten

Lys

Absorbsjonslinjer

Dopplerforskyvningen og spektrallinjene

Bruken av dopplereffekten for lys er avhengig av det faktumet at spektralområde av stjerner ikke er kontinuerlig. De har absorbsjonslinjer ved veldig nøyaktige frekvenser som svarer til de energiene som trengs for å stige elektroner i ulike grunnstoffer fra et nivå til et annet. Absorbsjonslinjene er ikke alltid ved de frekvensene de er i spektralområdet i en stillestående rotfestet lyskilde. Dette sees ved dopplereffekten.

Dopplerforsyvningen pleier ofte å bli forskjellig fra atom til atom fordi spektrallinjene fra atomer i uordnet får ofte en termisk(definert som summen av målbar og latent varme) aktivitet og samtidig et visst tilegg i sin bredde. Som kalles dopplerforbredning.  Slik kan dopplereffekten brukes for å avgjøre farten av de enkelte atomkjerner eller atomer.

Dopplerforskyvnings praktisering

Radarbølger

Frekvens

Dopplerforskyvning praktiseres av radarbølger for å beste hastigheten av f.eks fly,biler og raketter. På grunn av dopplereffekten fra radarbølger som kastet tilbake av en gjenstand som beveger seg mot senderen, får vi høyere frekvens enn den bølgen som ble sendt ut. Gjenstandens hastighet kan bestemmes veldig punktlig ved å sammenligne disse to frekvensene.

Bølgene som kilden sender ut endrer aldri frekvens. Dette er godt forklart i wikipedia: Noen kaster baller på deg. Hvert sekund kaster vedkommende en ny ball i hodet på deg, og vi antar at ballen farer gjennom lufta med en konstant hastighet. Står ballkasteren stille vil du få en ball i hodet hvert sekund. Står ballkasteren på en tralle som triller mot deg vil han være litt nærmere for hver ball han kaster. Hver ball har derfor en litt kortere strekning å tilbakelegge. Og det vil gå litt mindre enn et sekund mellom hver ball som treffer deg i hodet. Og det oppleves som om ballkasteren kaster oftere. Det motsatte er tilfelle dersom ballkasteren triller fra deg. I virkeligheten er det bølgelengden som endres. Som en konsekvens endres den oppfattede frekvensen. Hentet fra..(http://no.wikipedia.org/wiki/Dopplereffekten)

Doppler og medisin

Ekkokardiogram

Dopplerultralyd

Et ekkokardiogram (undersøkelse av hjertet med ultralyd) kan gi informasjon med noen grenser om bevegelsesfrekvensen og retninger i hjertevev og blod. Dette skjer ved hjelp av dopplerultralyd. Hurtighetsmålingen gjør det mulig å bestemme funksjonen i hjerteklaffene, beregne hjertets slagvolum og finne åpninger i hjertets skillevegger. Man kan også måle frekvensen på hjertemuskelens sammenstrekning ved hjelp av vevsdoppler.

Lydbølger

Hvordan dannes lydbølger?

Fortetting og fortynninger

Når en lydkilde svinger fram og tilbake, og setter i gang svingninger i lufta dannes det bølger. Disse bølgene kalles lyd. Når lydkilden svinger den ene veien kommer luftmolekylene på den siden der lydkilden svinger til å bli most sammen. Da skapes det en fortetting. Og når den svinger etterpå i motsatt retning, slipper den igjen en fortynning av luftmolekylene. Det skjer konstant nye fortynninger og fortettinger i lufta som brer seg utover.  Luftmolekylene svinger fram og tilbake ved bølgeretningen. Avstanden mellom to fortettinger eller mellom to fortynninger er lik bølgelengden for en lydbølge.

Lysbølger

Elektromagnetiske bølger

Eksempler

Lys er elektromagnetisk stråling altså bølger som ikke trenger et stoff å bre seg i. Em stråling er heller ikke noe vi kan ta på slik som lufta i lydbølgene. Når vi snakker om lys kan vi bruke både ordet bølger og stråling. Elektromagnetisk stråling er når bølgelengden er kortere enn 1mm.  Men når bølgelengden er større enn 1mm bruker vi betegnelsen bølger. For eksempel mikrobølger og radiobølger.