为什么会出现多普勒效应？
多普勒效应是为了纪念克里斯琴·多普勒而命名的，他在1842年首次提出了这一理论。
他认为，当声源向观察者移动时，声波的频率变高，当声源远离观察者时，频率变低。一个常用的例子是火车。当火车接近观察者时，它的蒸汽会比平时更刺耳。火车经过时可以听到刺耳的声音变化。事实也是如此:警车的警报声，赛车的发动机声。
把声波想象成有规律间隔发出的脉冲。想象一下，如果你每走一步都发出一个脉冲，那么你面前的每一个脉冲都比你静止不动时离自己更近。你身后的声源比静止时更远了一步。换句话说，你之前的脉搏频率比平时高，你之后的脉搏频率比平时低。
奥地利物理学家多普勒出生于1803年，是萨尔茨堡一个石匠的儿子。他的父母曾期望他的儿子能跟随他父亲的脚步，但他从小就太虚弱了，不能成为一名石匠。他们接受了一位数学教授的建议，请多普勒去维也纳理工学院学习数学。毕业后，多普勒回到萨尔茨堡学习哲学，然后去维也纳大学学习高等数学、天文学和力学。
毕业后，多普勒留在维也纳大学做了四年助理教授，在一家工厂做会计，后在布拉格一所技术中学任教，并在布拉格理工学院担任兼职讲师。直到1841才正式成为理工学院的数学教授。多普勒是一位严谨的老师。他曾经因为学生抱怨考试太苛刻而被学校调查。繁重的学术事务和沉重的压力使多普勒的健康状况越来越差，但他的科学成就却使他闻名于世。1850年被任命为维也纳大学物理学院首任院长，但三年后去世，时年49岁。
著名的多普勒效应最早出现在1842发表的一篇论文中。1842年，奥地利物理学家多普勒带着女儿沿着铁路散步，注意到当波源和观测者相对运动时，观测者接收到的波频率会发生变化。他试图用这个原理来解释双星的颜色变化。虽然多普勒把光波误认为纵波，但多普勒效应的结论是正确的。多普勒效应对双星的颜色只有轻微的影响。当时，没有任何仪器可以测量这些变化。但是从1845开始，有人用声波进行实验。他们让一些音乐家在火车上演奏音乐，并让其他人写下他们在火车靠近和离开站台时听到的音高。实验结果支持了多普勒效应的存在。
广义多普勒效应
多普勒效应不仅适用于声波，也适用于所有类型的波，包括光波和电磁波。科学家埃德温·哈勃利用多普勒效应得出宇宙正在膨胀的结论。他发现遥远银河系的光频越来越高，也就是向光谱的红端移动。这是红色多普勒频移，或红移。如果银河系向他移动，光线就会蓝移。
在移动通信中，移动台向基站移动时，频率变高，远离基站时，频率变低，所以要充分考虑移动通信中的“多普勒效应”。当然，由于日常生活中我们移动速度的限制，不可能带来很大的频移，但不可否认会影响移动通信。为了避免这种影响在我们的交流中造成问题，我们不得不在各种技术中考虑它。而且增加了移动通信的复杂性。
首先，声波的多普勒效应
在日常生活中，我们都有这样的经历:当一列鸣笛的火车经过观察者时，他会发现火车鸣笛的音调由高变低。为什么会这样？这是因为音调是由声波不同的振动频率决定的。如果频率高，音调听起来就高。另一方面，音调听起来很低。这种现象被称为多普勒效应，以发现者克里斯蒂安·多普勒(1803-1853)的名字命名。多普勒是奥地利物理学家和数学家。他在1842首次发现了这种效应。为了理解这一现象，有必要调查一下火车以恒定速度接近的时间。哨声传播时发出的声波的规律性。结果，声波的波长变短了，就好像波被压缩了一样。所以一定时间间隔内传播的波数增加，这也是观察者感觉音调变高的原因。反之，火车走远了，声波的波长就变大了，仿佛波被拉伸了。因此，声音听起来很低。定量分析表明，f1=(u+v0)/(u-vs)f，其中vs是波源相对于介质的速度，v0是观测者相对于介质的速度，f代表波源的固有频率，u代表静止介质中的波。当观察者远离波源(即沿着波源)时，v0取负号。当波源向观察者移动时，vs带负号。当前波源偏离观察者的运动时，Vs取正号。从上面的公式很容易知道，当观察者和声源距离较近时，F 1 > F；当观察者和声源相距较远时，f1 < f。
二、光波(包括电磁波)的多普勒效应
波动的光也会有这种效应，也叫多普勒-斐索效应。因为法国物理学家斐索(1819-1896)在1848年独立解释了距离恒星的波长偏移，指出了利用这种效应测量恒星相对速度的方法。光波和声波的区别在于，如果恒星向我们移动，光的谱线就向紫光移动，这叫做蓝移。
多普勒效应的广泛应用
一、雷达测速仪
这种多普勒效应也被雷达测速仪用来检测机动车辆的速度。交警向行驶中的车辆发射已知频率的电磁波，通常是红外线，同时测量反射波的频率，根据反射波频率的变化就可以知道车辆的速度。装有多普勒测速仪的警车有时会停在路边，一边测速一边拍下车号，并自动将测得的速度打印在照片上。
二、多普勒效应在医学上的应用
在临床上，多普勒效应的应用也越来越多。近年来，超声脉冲多普勒测试仪发展迅速。当声源或反射界面移动时，例如当红细胞流经心脏的大血管时，从其表面散射的声音的频率发生变化，从这种频移可以知道血流的方向和速度。例如，当红细胞面对探头时，根据多普勒原理，反射的音频增加，当红细胞离开探头时，反射的音频减少。
第三，宇宙学研究中的多普勒现象
20世纪20年代，美国天文学家斯莱弗在研究遥远的螺旋星云发出的光谱时，首次发现了光谱的红移，并意识到螺旋星云正在迅速离开地球。1929年，哈勃根据广义红移总结出著名的哈勃定律:星系的距离V与距地球的距离R成正比，即V = HR，H为哈勃常数。根据哈勃定律以及随后对更多天体红移的测定，人们认为宇宙长期以来一直在膨胀，物质的密度一直在降低。由此推断，宇宙的结构在某一时刻之前是不存在的，它只能是进化的产物。因此，在1948年，g .伽莫夫和他的同事们提出了大爆炸宇宙模型。自20世纪60年代以来，大爆炸模型被广泛接受，以至于天文学家称之为宇宙的“标准模型”。
多普勒-斐索效应使人们有可能仅仅通过分析接收到的光的光谱来研究距离地球任意距离的天体的运动。1868年，英国天文学家w·哈金斯用这种方法测量了天狼星的视速度(即物体离开我们的速度)，得到了46公里/秒的速度值。
第四，移动通信中的多普勒效应
在移动通信中，移动台向基站移动时，频率变高，远离基站时，频率变低，所以要充分考虑移动通信中的“多普勒效应”。当然，由于日常生活中我们移动速度的限制，不可能带来很大的频率偏移。而在卫星移动通信中，飞机向卫星移动时频率变高，远离卫星时频率变低。而且由于飞机的速度很快，要充分考虑卫星移动通信中的“多普勒效应”。为了避免这种影响在我们的交流中造成问题，我们必须给出各种技术考虑。而且增加了移动通信的复杂性。
当你在公路上袖手旁观，注意一辆快速行驶的汽车的发动机声音时，你会发现当它向你驶来时，声音的音调会变高(即频率会变高)，当它离开你时，音调会变低(即频率会变低)。这种现象被称为多普勒效应。光的现象中还有多普勒效应。当光源快速向你移动时，光的频率也会增加，表现为光的颜色向蓝光方向偏移(因为在可见光中，蓝光的频率高)，即光谱蓝移；当光源快速离开你时，光的频率会降低，也就是说光的颜色会向红光方向偏移(因为可见光中红光的频率较低)，也就是光谱会向红色偏移。
在进一步研究多普勒效应之前，我们先了解一下关于波的基础知识:
如果我们把一块小石头扔进平静的水面，水面上会出现波纹，并继续向前扩散。此时，每当波源处的水面发生振动，水面上就会产生新的波列。
设波源的振动周期为t，即波源每振动t次，则水面上相邻两个波列之间的距离为VT，其中v为波在水中的传播速度。在物理学中，我们称这种相邻波列波长之间的距离，用符号λ表示。这样，波的波长、波速和振动周期之间的关系可以表示为λ=VT (1)。
由于波源振动一次需要T，单位时间内波源振动的次数为1/t，在物理学中，波源单位时间内振动的次数称为波的频率，用f表示，这样，其与周期的关系可以表示为f=1/T，或T=1/f (2)。
把(1)和(2)结合起来，我们可以得到λ=VT=V/f (3)。
这个公式是我们讨论与波有关的问题的基本公式。虽然是从水波的传播中总结出来的，但是适用于所有的波。
实验研究表明，对于给定的介质，波的传播速度V是一个常数。因此，当波在某种介质中传播时，其波长λ与其周期成正比(与其频率成反比)。即波的频率越高，周期越小，波长越短；反之，频率越低，周期越长，波的波长越长。
对于声波来说，声音的频率决定了声音的音调。即声波的频率越高，声波的音调越高，声音越尖锐、越细，甚至越刺耳。根据以上结论，产生高音的声源振动较慢，振动周期较长，对应声波的波长也较长。比如10000Hz声波的波长是100Hz声波波长的1/100。
在可见光中，光波的频率决定了彩色光的颜色。频率从低到高对应红、橙、黄、绿、蓝、靛、紫。红光的频率最低，波长最长。紫光频率最高，但波长最短。
下面我们结合以上背景知识来探讨一下光的多普勒效应:
假设一个光源每隔T发出一个波列，即光源的周期为T，如图所示，静止时，相邻两个波列的时间间隔为T，距离间隔为λ=cT。
其中c代表光速。
当光源以速度v离开观察者时，光源在每两个相邻波列之间的时间内移动的距离为VT，因此下一个峰值到达观察者所需的时间增加VT/c，因此两个相邻峰值到达观察者所需的时间为:
T ' = T+VT/c & gt；T
即与观察者相比，光波的周期变长，频率变低。根据上述频率与光色的关系，二次光的颜色会向红光偏移。在物理学中，这种现象被称为红移。
此时，两个相邻波列到达观察者的距离，即波长，就变成λ'=cT+VT。
也就是波长变长了。这两个波长的比值为λ'/λ = t'/t = 1+V/C。
也就是波长增加了V/c，我们把这种相对增加叫做红移，红移取决于光源的距离速度。因为一般来说，V
比如室女座星系团正以大约1000 km/s的速度离开我们的星系，那么其光谱上任何一条谱线的波长都比正常值大一个比值λ'/λ= 1+V/C = 1+10000/300000 = 65438。
如果光源向观察者移动，只需将上述公式中的V改为-V..不同的是，此时会有光的蓝移。
根据光源的移动速度，我们可以计算出光在光谱中的偏移量；相反，根据光在光谱中的偏移量，我们还可以计算出光源相对于我们的移动速度。明白了这一点，我们就不难理解哈勃定律的发现过程了。