3 Fakten zum Doppler-Effekt für Licht: Was, Wie, Beispiele und häufig gestellte Fragen

Der Doppler-Effekt gilt sowohl für Schallwellen als auch Lichtwellen. Lassen Sie uns also zuerst analysieren, was der Doppler-Effekt von Licht ist.

Der Doppler-Effekt des Lichts ist definiert als die Änderung der Frequenz des vom Beobachter gesehenen Lichts als Ergebnis der relativen Bewegung des Beobachters und der Lichtquelle. Als Ergebnis können wir sagen, dass der Dopplereffekt im Licht genauso auftritt wie im Licht klingen.

Nachdem wir nun also den Dopplereffekt im Licht kennen, werden wir uns in diesem Artikel mit dem relativistischen Dopplereffekt, seiner Formel, seinen Beispielen aus dem wirklichen Leben und vielem mehr befassen.

Wie funktioniert der Dopplereffekt mit Licht?

Licht breitet sich unabhängig vom verwendeten Bezugsrahmen immer mit der gleichen Geschwindigkeit aus; die einzige Veränderung liegt in seiner Energie. Schauen wir uns also an, wie der Doppler-Effekt mit Licht funktioniert.

Die Wellenlänge des Lichts bestimmt die Energie des Lichts. Während sich also Quelle und Beobachter relativ zueinander bewegen, ändert sich die Wellenlänge des von der Quelle emittierten Lichts, wenn es vom Beobachter wahrgenommen wird. Dieses Phänomen wird als Doppler-Effekt bezeichnet.

Dopplereffekt für Lichtbeispiele:

Das Phänomen des Doppler-Effekts im Licht tritt im wirklichen Leben auf. Lassen Sie es uns anhand der folgenden Beispiele sehen:

  • Aufgrund der Expansion des Universums ist das Licht, das wir von entfernten Objekten (wie Sternen) erhalten, rotverschoben.
  • Die Geschwindigkeit des vorbeifahrenden Autos wird von einem Blitzer gemessen, der den Doppler-Effekt des Lichts nutzt.

Der relativistische Dopplereffekt für Licht:

Der Doppler-Effekt im Licht wird aufgrund der relativistischen Bewegung des Beobachters und der Quelle gesehen. Schauen wir uns also den relativistischen Dopplereffekt im Licht genauer an.

Der Beobachter bekommt die Welle mit Frequenz f oder Wellenlänge 𝜆, wenn sowohl Quelle als auch Beobachter stationär sind. Angenommen, eine Lichtquelle im Rahmen emittiert Licht der Wellenlänge 𝜆s in der Zeit ts und bewegt sich mit der Geschwindigkeit v vom stationären Rahmen weg (als konstant angenommen).

Wenn sich die Quelle vom Beobachter wegbewegt, wird die vom Beobachter empfangene Wellenlänge gedehnt

Laut der Spezielle Relativität Theorie beruhen Änderungen in Zeit- und Längenintervallen auf der relativen Bewegung des Beobachters. Durch Anwendung der Lorentz-Transformationsgleichung auf ein sich relativ bewegendes Bezugssystem erhalten wir also die folgende Gleichung für die vom Beobachter gemessene Wellenlänge:

(Wenn 𝑣 = ᥆, dann 𝜆o = 𝜆s)

Aber 𝜆 / t = c (wobei c die Lichtgeschwindigkeit ist)

Somit kann die obige Gleichung geschrieben werden als:

Durch Vereinfachung der obigen Gleichung erhalten wir die vom Beobachter beobachtete Wellenlänge:

Gleichung (1)

Diese Gleichung geht davon aus, dass sich die Quelle vom Beobachter wegbewegt. Daher ist die Geschwindigkeit v positiv, wenn sich die Quelle vom Beobachter wegbewegt, und negativ, wenn sich die Quelle auf den Beobachter zubewegt.

Diese Gleichung kann wie folgt in Bezug auf die Quellenfrequenz und die beobachtete Frequenz ausgedrückt werden:

fo = c / 𝜆o

Somit

Gleichung (2)

Die Gleichungen (1) und (2) sind die erforderlichen Gleichungen für den Doppler-Effekt.

Rotverschiebung & Blauverschiebung:

Die Frequenz des Lichts definiert seine Farbe. Eine durch ihre Relativbewegung verursachte Frequenzänderung von Quelle und Beobachter ist a Rotverschiebung und Blauverschiebung. Schauen wir uns an, was es bedeutet.

  • Wenn sich die Lichtquelle vom Beobachter wegbewegt, empfängt der Beobachter eine niedrigere Frequenzwelle als die Quelle. Die Tatsache, dass rote Farbe die niedrigste Frequenz im sichtbaren Spektrum hat, erzeugt eine Verschiebung zum roten Ende des Spektrums. In der Astronomie ist sie als Rotverschiebung bekannt.
  • Wenn sich die Lichtquelle näher an den Beobachter bewegt, empfängt der Beobachter eine Welle mit höherer Frequenz als die Quelle. Die Tatsache, dass blaue Farbe die höchste Frequenz im sichtbaren Spektrum hat, erzeugt eine Verschiebung zum blauen Ende des Spektrums. In der Astronomie ist dies als Blauverschiebung bekannt.
Bildnachweis: Redshift_Blueshift durch, Aleš Tošovský (CC BY-SA 3.0)

Fazit:

Dieser Artikel zeigt uns, dass Licht als Welle auch den Doppler-Effekt erfährt, genau wie Schall. Dieses Phänomen tritt aufgrund der relativen Geschwindigkeit des Lichtsenders und des Beobachters auf. Wir kommen auf die Idee, dass sich das Universum dank des Doppler-Effekts des Lichts ausdehnt.

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