Báo cáo bài tập lớn Đề tài hiệu Ứng doppler và các Ứng dụng

Nói về chủ đề của bài báo này, lý do khiến chúng em chọn đề tài “Hiệu ứng Doppler và các ứng dụng” để nghiên cứu là vì các ứng dụng của hiệu ứng Doppler trong cuộc sống là vô số kể và ta

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

-*** -

BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN

ĐỀ TÀI: HIỆU ỨNG DOPPLER VÀ CÁC ỨNG DỤNG

GVHD: Th.s Nguyễn Thị Minh Hương

T.s Trần Văn Lượng SVTH: Nhóm DT02

Tp Hồ Chí Minh, tháng năm 2020

ĐẠI HỌC QUỐC GIA THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

-*** -

BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN

ĐỀ TÀI: HIỆU ỨNG DOPPLER VÀ CÁC ỨNG DỤNG

GVHD: Th.s Nguyễn Thị Minh Hương

T.s Trần Văn Lượng SVTH: Nhóm DT02

Tp Hồ Chí Minh, tháng năm 2020

LỜI MỞ ĐẦU

Vật lý 2 là một môn đại cương quan trọng thuộc chương trình giảng dạy của rất nhiều ngành, khoa thuộc trường Đại học Bách Khoa Thành phố Hồ Chí Minh Môn học cung cấp những kiến thức cơ sở về ngành vật lý giúp cho học sinh có thể hiểu thêm về các hiện tượng cũng như những ứng dụng thực tế xuất hiện hằng ngày trong cuộc sống Với những gì được học thông qua môn học này các sinh viên sẽ có được cái nhìn tốt hơn khi làm việc liên quan đến các ngành kỹ thuật

Nói về chủ đề của bài báo này, lý do khiến chúng em chọn đề tài “Hiệu ứng Doppler và các ứng dụng” để nghiên cứu là vì các ứng dụng của hiệu ứng Doppler trong cuộc sống

là vô số kể và ta có thể bắt gặp chúng ở bất kỳ đâu trong cuộc sống hằng ngày Thế nên khi nghiên cứu đề tài này bọn em sẽ thêm nhiều hiểu biết về các hiện tượng thường xảy

ra trong cuộc sống có ứng dụng hiệu ứng Doppler như siêu âm Doppler hay máy bắn tốc độ… Hơn thế nữa hiệu ứng Doppler là một phần quan trọng trong chương trình giảng dạy vật lý 2 nên khi nghiên cứu kĩ đề tài này sẽ giúp chúng em làm bài tốt hơn trong phần này

MỤC LỤC

LỜI MỞ ĐẦU ii

DANH SÁCH HÌNH ẢNH iv

DANH SÁCH TỪ VIẾT TẮT iv

Phần 1: Giới thiệu chung 1

Phần 2: Nội dung 1

2.1 Định nghĩa 1

2.2 Công thức 1

2.3 Nguồn gốc của hiệu ứng Doppler 2

2.4 Ứng dụng của hiệu ứng Doppler 2

 Siêu âm Doppler 2

 Súng bắn tốc độ 4

 Dịch chuyển đỏ và dịch chuyển xanh 5

KẾT LUẬN VÀ NHẬN XÉT 8

Tài liệu tham khảo 9

DANH SÁCH HÌNH ẢNH

Hình 2.1.1:Sự thay đổi bước sóng gây ra bởi sự chuyển động của nguồn 1

Hình 2.4.1:Siêu âm Doppler màu 3

Hình 2.4.2:Hình ảnh minh họa súng bắn tốc độ 5

Hình 2.4.3:Lực hấp dẫn kéo ánh sáng dịch chuyển về phía đỏ 6

Hình 2.4.4:Dịch chuyển đỏ và dịch chuyển xanh 7

DANH SÁCH TỪ VIẾT TẮT

CW Doppler Continuous-wave Doppler Doppler liên tục

PW Doppler Pulsed-wave Doppler Doppler xung

Phần 1: Giới thiệu chung

Hiệu ứng Doppler là một hiệu ứng có tính quan trọng lịch sử được đề xuất bởi Christian Andreas Doppler vào năm 1842 Đến nay hiệu ứng này đã được ứng dụng rất nhiều trong cuộc sống hằng ngày như súng bắn tốc độ hay siêu âm Doppler…

Phần 2: Nội dung

2.1 Định nghĩa

Hiệu ứng Doppler là một hiệu ứng vật lý, đặt tên theo Christian Andreas Doppler, trong

đó tần số và bước sóng của các sóng âm, sóng điện từ hay các sóng nói chung bị thay đổi khi mà nguồn phát sóng chuyển động tương đối với người quan sát

Hình 2.1.1: Sự thay đổi bước sóng gây ra bởi sự chuyển động của nguồn

Trong thực tế, ta có thể quan sát hiện tượng này khi còi xe cứu thương khi chạy hướng đến ta có tần số âm thanh cao hơn khi xe chạy ra xa Sự thay đổi tần số phụ thuộc vào hướng di chuyển của nguồn tín hiệu so với nơi quan sát; sự thay đổi cao nhất khi hướng

di chuyển trực tiếp hướng đến hoặc hướng ra khỏi nơi quan sát Nếu hướng di chuyển vuông góc với nơi quan sát, người quan sát sẽ không thấy sự thay đổi của tín hiệu

2.2 Công thức

Gọi f là tần số âm do nguồn âm phát ra, v là tốc độ truyền âm trong môi trường, 𝑣𝑆 và

𝑣𝑀 lần lượt là tốc độ của nguồn âm và máy thu so với môi trường Tần số âm mà máy thu thu được là:

Quy ước dấu:

f’ = f 𝑣±𝑣𝑀

𝑣∓𝑣 𝑆

 Ở tử số: dấu “+” ứng với trường hợp máy thu lại gần nguồn âm, dấu “-” ứng với trường hợp máy thu ra xa nguồn âm

 Ở mẫu số: dấu “-” ứng với trường hợp nguồn âm lại gần máy thu, dấu “+” ứng với trường hợp nguồn âm ra xa máy thu

2.3 Nguồn gốc của hiệu ứng Doppler

Doppler lần đầu tiên đề xuất hiệu ứng này vào năm 1842 trong chuyên luận "Über das farbige Licht der Doppelsterne und einiger anderer Gestirne des Himmels" (Trên ánh sáng màu của các ngôi sao đôi và một số ngôi sao khác của thiên đàng) Giả thuyết đã được thử nghiệm cho sóng âm thanh bởi Buys Ballot vào năm 1845 Ông xác nhận rằng

độ cao của âm thanh cao hơn tần số phát ra khi nguồn âm thanh tiếp cận ông và thấp hơn tần số phát ra khi nguồn âm thanh đi xa ra Hippolyte Fizeau đã phát hiện ra một cách độc lập hiện tượng tương tự trên sóng điện từ vào năm 1848 (ở Pháp, hiệu ứng này đôi khi được gọi là "effet Doppler-Fizeau" nhưng cái tên đó không được phần còn lại của thế giới chấp nhận vì phát hiện của Fizeau xuất hiện sáu năm sau đề xuất của Dopplerer) Tại Anh, John Scott Russell đã thực hiện một nghiên cứu thực nghiệm về hiệu ứng Doppler (1848)

2.4 Ứng dụng của hiệu ứng Doppler

 Siêu âm Doppler

Siêu âm Doppler là phương pháp ứng dụng hiệu ứng Doppler Người ta phát sóng siêu

âm tới bộ phận cần khảo sát chức năng và thu hồi sóng phản xạ Từ sự khác biệt tần số tới và phản hồi ta sẽ có các thiết bị xử lý và hiển thị lên màn ảnh

Về khía cạnh kỹ thuật ta quan tâm tới hai vấn đề: một là phân tích sóng phản hồi để tính tần số Doppler, nhờ đó tính khảo sát được sự chuyển động của vật cần khảo sát Hai là hiển thị lên màn ảnh sự phân bố của vật chuyển động đó

Khi đánh giá tín hiệu phản hồi của dòng chảy, các vận tốc của dòng chảy hướng về phía đầu dò được mã màu đỏ trên Doppler màu, còn các vận tốc của dòng chảy hướng ra xa đầu dò sẽ được mã màu xanh

Kỹ thuật siêu âm Doppler cũng được áp dụng cho thai nhi, trong 3 tháng cuối của thai

kỳ, khi các bộ phận cơ thể đã hình thành cơ bản Từ lưu lượng máu đo được ở một số

bộ phận cơ thể bé, có thể biết được tình trạng sức khỏe cũng như bệnh lý bé mắc phải Trên thực tế, siêu âm Doppler được chia hai loại Cụ thể là những loại như sau:

Doppler liên tục (CW Doppler): Chúng ta có thể hiểu đây là loại siêu âm gồm hai tinh

thể ở một đầu dò với hai chức năng khác biệt Trong đó, một tinh thể có chức năng phát sóng âm và một tinh thể còn lại làm nhiệm vụ thu sóng âm Từ đó, siêu âm Doppler liên tục có thể kiểm tra ở các vận tốc nhanh Thế nhưng hình thức này lại không thể kiểm tra được vị trí của điểm thu về

Hình 2.4.1:Siêu âm Doppler màu

Doppler xung (PW Doppler): Đây là loại siêu âm chỉ có một tinh thể ở đầu Điều đó có nghĩa siêu âm Doppler xung vừa có khả năng phát sóng âm vừa thu sóng âm Tại phần đầu dò của máy siêu âm Doppler xung có kết cấp các chuỗi xung dọc nhằm mục đích phát sóng âm theo hướng quét của mỗi đầu dò

Đặc biệt, siêu âm Doppler xung có khả năng điều chỉnh kích thước của các vùng cần kiểm tra Thế nhưng loại siêu âm này lại không thể thu được toàn bộ sóng âm thay vào

đó chỉ thu sóng âm về được tại vị trí kiểm tra

Bên cạnh đó, siêu âm Doppler còn là hình thức thăm khám phát hiện ra một số bệnh mà những hình thức khác không thể đáp ứng Cụ thể hơn:

 Phát hiện tình trạng phình mạch máu hay còn gọi là phình động mạch chủ ở bụng

 Kiểm tra và phát hiện các vấn đề ở tim: khuyết van tim, hở van tim,…

 Phát hiện bệnh nhân có khả năng bị tắc mạch máu

 Súng bắn tốc độ

Súng bắn tốc độ (cũng là súng radar) là một thiết bị dùng để đo tốc độ của các vật thể chuyển động Nó được sử dụng trong thực thi pháp luật để đo tốc độ của phương tiện di chuyển và thường được sử dụng trong các môn thể thao chuyên nghiệp, cho những việc như đo tốc độ bowling trong môn cricket, tốc độ của bóng chày ném đi, tốc độ vận động viên ném bóng và quần vợt khi giao bóng

Súng bắn tốc độ radar có thể được cầm bằng tay, gắn trên xe hoặc đứng yên Nó đo tốc

độ của các vật thể mà nó được chỉ bằng cách phát hiện sự thay đổi tần số của tín hiệu radar bị trả lại do hiệu ứng Doppler gây ra, theo đó tần số của tín hiệu trả về tăng tỷ lệ thuận với tốc độ tiếp cận của vật thể nếu đối tượng đang lại gần, và thấp xuống nếu đối tượng đang ra xa Các thiết bị như vậy thường được sử dụng để thực thi giới hạn tốc độ Súng tốc độ radar được phát minh bởi John L Barker Sr và Ben Midlock, người đã phát triển radar cho quân đội khi làm việc cho Công ty Tín hiệu Tự động (sau này là Bộ phận Tín hiệu Tự động của Tập đoàn LFE) ở Norwalk, CT trong Thế chiến II Ban đầu, Automatic Signal được Tập đoàn máy bay Grumman tiếp cận để giải quyết vấn đề cụ thể về thiệt hại thiết bị hạ cánh trên mặt đất trên máy bay đổ bộ PBY Catalina huyền thoại hiện nay Barker và Midlock đã lắp ráp một đơn vị radar Doppler từ lon cà phê được hàn kín để tạo ra bộ cộng hưởng vi sóng Thiết bị được lắp đặt ở cuối đường băng (tại Grumman's Bethpage, cơ sở NY) và nhằm trực tiếp lên trên để đo tốc độ chìm của PBYs hạ cánh Sau chiến tranh, Barker và Midlock đã thử nghiệm radar trên Merritt Parkway Năm 1947, hệ thống này đã được Cảnh sát bang Connecticut ở Glastonbury, Connecticut, thử nghiệm ban đầu để khảo sát giao thông và đưa ra cảnh báo cho các tài

xế vì tốc độ quá cao Bắt đầu từ tháng 2 năm 1949, cảnh sát bang bắt đầu phát hành vé tốc độ dựa trên tốc độ được ghi lại bởi thiết bị radar Năm 1948, radar cũng được sử

Hình 2.4.2 3 :Hình ảnh minh họa súng bắn tốc độ

 Dịch chuyển đỏ và dịch chuyển xanh

Dịch chuyển đỏ là một hiện tượng vật lý, trong đó ánh sáng phát ra từ các vật thể đang chuyển động ra xa khỏi người quan sát sẽ đỏ hơn Hiện tượng này là hệ quả của hiệu ứng Doppler, khi các vạch phổ trong phần ánh sáng biểu kiến chuyển dịch về phía phổ

đỏ do tần số sóng điện từ (của ánh sáng, sóng vô tuyến ) của các thiên hà, quasar hay các thiên thể xa khác bị giảm xuống Từ đó mà xuất hiện tên "chuyển dịch đỏ" Chuyển dịch đỏ càng lớn thì vật thể quan sát chuyển động ra xa khỏi người quan sát càng nhanh Nhờ vào dịch chuyển đỏ mà người ta phát hiện ra các thiên hà đang chuyển động ra xa nhau hay rộng hơn là sự giãn nở vũ trụ "Metagalaxy", xác định chuyển động riêng của các sao đối với Trái Đất Thuyết tương đối rộng đã phán đoán vấn đề chuyển dịch đỏ khi các quang tử mất giảm năng lượng khi thoát ra khỏi trường hấp dẫn- sự truyền sóng vào trường yếu hơn

Hình 2.4.3 4 :Lực hấp dẫn kéo ánh sáng dịch chuyển về phía đỏ

Ngược lại với chuyển dịch đỏ là chuyển dịch xanh

Dịch chuyển xanh là một hiện tượng vật lý, trong đó ánh sáng phát ra từ các vật thể

đang chuyển động lại gần người quan sát sẽ xanh hơn

Hình 2.4.4 5 :Dịch chuyển đỏ và dịch chuyển xanh

KẾT LUẬN VÀ NHẬN XÉT

Hiệu ứng Doppler là một hiệu ứng có ý nghĩa quan trọng trong lịch sử ngành vật lý, các ứng dụng của hiệu ứng này không chỉ có trong y học, đời sống mà còn có ứng dụng trong thiên văn học

Sau khi thực hiện nghiên cứu, nhóm chúng em đã có cái nhìn tổng quát và đầy đủ về hiệu ứng này qua đó góp phần có cái nhìn thú vị hơn về chương 2 nói riêng và cả chương trình vật lý 2 nói chung

Tài liệu tham khảo

[1] http://www.phuongnammed.com/tin-tuc/sieu-am-doppler-va-ung-dung/243/385 [2] https://medlatec.vn/tin-tuc/sieu-am-doppler-thai-la-gi-va-nen-thuc-hien-khi-nao-s74-n14852

[3] https://en.wikipedia.org/wiki/Doppler_effect#History

[4]

https://vi.wikipedia.org/wiki/Hi%E1%BB%87u_%E1%BB%A9ng_Doppler#Xem_th%C3

%AAm

[5]

https://vi.wikipedia.org/wiki/D%E1%BB%8Bch_chuy%E1%BB%83n_%C4%91%E1%BB

%8F