Космическая загадка ученым
Изучая спектры далеких звезд, астрономы вдруг встретились с непонятным явлением: в спектрах некоторых звезд черные линии, характерные для определенных химических элементов, почему-то оказались не на тех местах, где им полагается быть. Сдвиг, правда, небольшой, но он все-таки есть! У разных звезд этот сдвиг разный и главным образом в сторону красной части спектра. Это была загадка. Но ученые быстро ее разгадали. И сразу же использовали это явление. Маленькое изменение в спектре дало ученым такие сведения о далеких звездах, каких никаким другим способом получить не удавалось. Это явление было названо «красным смещением», потому что спектральные линии звезд были сдвинуты к красной части спектра.
Чтобы лучше понять загадку «красного смещения», вернемся к волнам.
Разговор о звуковых волнах
Известно, что звуковые волны продольные. А как они выглядят? Ведь продольную волну в природе не увидишь. Со световыми волнами лучше. Они поперечные. И хотя волны на воде довольно грубая модель, все же они дают некоторое представление о природе световых волн.
Чтобы хоть немного представить продольные волны, посмотрите, как сжимаются и растягиваются меха баяна или аккордеона. Вот также и продольные волны распространяются в упругой среде, то сжимая ее, то растягивая.
Звуковая волна бежит в воздухе со скоростью 340 метров в секунду (при средней температуре и средней влажности). Вы можете легко подсчитать по вспышке молнии и раскату грома, на каком расстоянии от вас сверкнула молния. Подсчитав, сколько секунд прошло от вспышки молнии до начала раската грома, умножьте это число на три. Полученный результат и есть примерное расстояние в сотнях метров до места вспышки молнии.
Воздух обладает хорошей упругостью, ему мы обязаны возможностью разговаривать друг с другом и слушать музыку, но все-таки он далеко не идеальный проводник звука… Лучше всего проводят звук твердые тела, затем жидкости, потом газы.
Чтобы убедиться, что воздух не является идеальным проводником звука, проделайте такой старинный опыт.
Возьмите металлическую столовую ложку и подвесьте ее на двух бечевках длиною по тридцать сантиметров. Ударяйте висящую на бечевках ложку о край стола, и вы услышите слабенький звон. Если же вы прижмете пальцами концы двух бечевок к ушам, немного наклонитесь вперед, чтобы дать ложке возможность свободно качаться, и теперь будете ударять ее о стол, вы услышите громкий, красивый звон. Колебания передались в ваши уши через волокна бечевок, на которых висит ложка. Этот громкий звук не сравнить со слабеньким звоном.
Как передаются упругие колебания в твердых телах, можно проследить и на таком опыте. Возьмите шашки (если их нет, одинаковые монеты), положите в один ряд, плотно прижав их друг к другу. Прижмите пальцем к столу крайнюю шашку и резко, но не сильно стукните по ней линейкой скользящим ударом. В прижатой к столу шашке упругое колебание пройдет по ее диаметру, передастся соседней шашке, от нее другой и так далее, пока не дойдет до последней. Последняя шашка отскочит— ей некому передать полученный толчок.
Размышления над расческой
Длина волны у поперечных волн измеряется от гребня до гребня или от впадины до соседней впадины. Длина волны у продольных колебаний измеряется от самой сжатой части до соседней такой же сжатой части или от самой «раздвинутой» части до такого же соседнего участка.
Возьмите карманную расческу. У одной половины расчески зубья расположены более часто, чем у другой.
Условимся, что зубья расчески изображают схематический рисунок продольных волн. Толщина зуба и промежуток до следующего зуба — это длина одной «волны». Подсчитайте, сколько таких «волн» приходится на один сантиметр. В одной половине расчески на один сантиметр приходится 4 зуба и 4 промежутка, то есть 4 «волны». На другой половине на один сантиметр приходится 7 зубьев и 7 промежутков, то есть 7 «волн». На вопрос, где частота зубьев больше, вы, не задумываясь, ответите, что там, где на один сантиметр приходится 7 зубьев. Вы, вероятно, обратили внимание и на следующее: чем меньше частота зубьев, чем меньше зубьев приходится на один сантиметр, тем и зубья толще и промежутки между ними шире. На другой половине расчески, где частота зубьев большая, там и зубья тоньше и промежутки уже. Это значит, что длины «волн» на первой половине расчески больше, чем на второй, и зависят они от частоты зубьев.
В звуковых колебаниях и в колебаниях электромагнитных о частоте судят по количеству колебаний в одну секунду. Если скорость распространения колебаний постоянная, то чем больше совершается полных колебаний в одну секунду, тем короче волны. И наоборот, чем меньше колебаний в одну секунду, тем волны длиннее.
Прислушайтесь к свистку локомотива
Когда говорят о звуке, принято говорить не о длине звуковых волн, а о частоте. Чем больше частота, число колебаний в секунду, тем выше звук. При колебаниях с низкими частотами звук ниже.
Случалось ли вам наблюдать, когда вы едете в поезде, как меняется звук свистка локомотива встречного поезда?
Если вы стоите далеко в стороне от железной дороги и слышите свисток локомотива проходящего поезда, то никакого изменения звука вы не обнаружите. Но если вы едете в поезде и слышите свисток встречного локомотива, то обратите внимание, как меняется его тон. Свисток слышится недолго, может быть 2–3 секунды, но и за это короткое время можно уловить, что сначала его звук высокий, а когда встречный локомотив, промелькнув мимо вашего вагона, удаляется от вас, звук становится низким. Получается завывание, похожее на звук «ИУАААА», причем А звучит ниже, чем И.
Звук свистка сам по себе не меняется, но слышите вы его по-разному, когда приближаетесь к нему и когда удаляетесь от него.
Попытаемся понять, почему это так происходит.
Вы едете в поезде со скоростью 60 километров в час.
Навстречу по соседнему пути мчится поезд с такою же скоростью, проезжая мимо вас, его локомотив свистит. Для простоты предположим, что свистящий локомотив стоит на месте, а ваш поезд приближается к нему со скоростью 120 километров в час. Для наших рассуждений это одно и то же. Звуковые волны от свистка локомотива движутся во все стороны. Они идут и к вам, конечно, с одинаковой скоростью, а вы мчитесь им навстречу. Если бы вы стояли на месте, к вам дошло бы за секунду, предположим, 1000 волн, но поскольку вы сами быстро движетесь им навстречу, то за одну секунду вы «ловите» уже не 1000, а гораздо большее количество волн, ну, предположим, 1200. Чтобы им «поместиться» в одной секунде, волны стали короче, а частота колебаний, следовательно, увеличилась. Теперь за секунду совершается не 1000, а 1200 колебаний. А звук с увеличением частоты всегда становится выше, поэтому звук свистка для вас становится более высокого тона, чем на самом деле у источника звука.
Когда же вы, проехав мимо свистящего локомотива, будете быстро удаляться от него, то за одну секунду вы теперь получите меньшее количество звуковых волн. Значит, частота звука уменьшилась и тон звука понизился.
Помните, что все это происходит только в движении, когда вы с большой скоростью либо едете навстречу звуку, либо убегаете от него.
Изменение частоты колебания волн, когда наблюдатель и источник волн движутся либо навстречу друг другу, либо в разные стороны друг от друга, названо «эффектом Доплера», по имени австрийского физика и астронома Христиана Доплера. Он первый открыл и объяснил это явление в 1842 году.
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 20х25 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 листочек с «волнами», а в правую листок с окошечком. Смотрите сквозь окошечко на расположенные вертикально «волны» и начните быстро двигать листочки 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 листочком с окошечком были видны ничем не загораживаемые черные полоски. Они будут служить вам эталоном для сравнения, и вы ясно увидите разницу в размере «волн» над листочком и в окошечке.
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 с