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多普勒效应和雷达测速――您身边的物理

    如果你喜欢开车,总有件烦心的事:一不小心就会收到一张罚单,原因是超速
    心中总有这样的纳闷,我看都没有看到警察,他凭什么说我超速?唉,且不要着急,请看往下看。
    你一定有这样的经验,当你站在马路旁边,即使没有去注视路面上车辆的行驶的情况,单凭耳朵的听觉判断,你能感到一辆汽车正在驶过来,或者离你而去。这里面当然依靠汽车行驶的声间是渐强还是渐弱,但细细想想,主要还是根据汽车行驶的车轮声或剌叭声调的变化。原来,车辆驶近时,声音要变尖,也就是说,音调要高些;开过以后,远离的时候,声音会越来越低。
    为什么会这样呢?原来,声音的形成,首先是由于发声体的振动,然后在它周围的空气中形成了一会疏一会密的声波,传到耳朵里,使耳膜随着它同样地振动起来,人们就听到了声音。耳膜每秒钟振动的次数多,人就感到音调高;反之,耳膜每秒钟振动的次数少,人就感到音调低。照这样说,声源发出什么声,我们听到的就是什么调。问题的关键在于汽车在怎样的运动。汽车匀速驶来,轮胎与地面摩擦产生的声波传来时是按一定规律,一定距离排列的,可当汽车向你开来时,它把空气中声波的压得更紧了,的问题更近了,人们听到的音调也就高了。反之,当汽车离你远去时,它把空气中的疏密拉开了,听到的声音频率就小了,音调也就低了。汽车的速度越高,音调的变化也越大。在科学上,我们把这种听到音调与发声体音调不同的现象,称为多普勒效应


    有趣的是,雷达测速计也正是根据多普勒效应的原理研制出来的。
    我们知道,小汽车可以开得很快,可是为了保证安全,在某些路段上,交通警察要对车速进行限制。那么,在汽车快速行进时,交通警察是怎样知道它们行驶的速度呢?最常用的测速仪器叫雷达测速计,它的外形很象一支大型信号枪,它也有枪筒,手柄、板机等部件,在枪的后面有一排数码管。把枪口对准行驶的车辆,一扣板机,一束微波就射向行驶中的车辆。微波是波长很短的无线电波,微波的方向性很好,速度等于光速。微波遇到车辆立即被反射回来,再被雷达测速计接收。这样一来一回,不过几十万分之一秒的时间,数码管上就会显示出所测车辆的车速。
    它所依据的原理依然是多普勒效应。雷达测速计发出一个频率为1000兆赫的脉冲微波,如果微波射在静止不动的车辆上,被反射回来,它的反射波频率不会改变,仍然是1000兆赫。反之,如果车辆在行驶,而且速度很快,那么,根据多普勒效应,反射波频率与发射波的频率就不相同。通过对这种微波频率微细变化的精确测定,求出频率的差异,通过计算机就可以换算出汽车的速度了。当然,这一切都是自动进行的。
  雷达测速计的测速范围大约在每小时24公里到199公里之间,测速范围比较大,精确度也相当高,车速在每小时100公里时,误差不会超过1公里/小时。
  测速雷达朝向公路,可以测量车速,如果指向天空,就可以测云层的高度,测云层的速度。当然,要测几十公里外,甚至上百公里外的飞机,也是这个原理,只不过要向它扫描的空间连续发射微波束,这些微波束遇到飞机再反射回来,已经极其微弱了,要想把它接收到,分辨清并计算出来,就很困难了,这就需要一个庞大的灵敏的雷达。
  除了用微波雷达测速之外,还有一种激光测速仪,因为激光的频率更高,波长更短,准确性更强,测量也更精密。当然,接收反射波的难度也更大一些