教科書(物理) 問10:観測者が動くドップラー効果

解法

直感的理解

観測者が音源に向かって走ると、単位時間に出会う波面の数が増えるので高い音に聞こえます。雨の中を走ると、前から当たる雨粒が多くなるのと同じ原理です。

(1) 観測者が音源に近づく場合

観測者が音源に向かって速さ \(v_o = 20\) m/s で近づくとき、単位時間に受け取る波面の数が増えます。音源は静止(\(v_s = 0\))なので、ドップラー効果の公式で分子に \(+v_o\) を使います:

$$ f' = \frac{V + v_o}{V} f $$

数値を代入します:

$$ f' = \frac{340 + 20}{340} \times 510 = \frac{360}{340} \times 510 $$

分数を計算します:

$$ f' = \frac{18}{17} \times 510 = \frac{18 \times 510}{17} = \frac{9180}{17} = 540 \text{ Hz} $$

(2) 観測者が音源から遠ざかる場合

観測者が音源から速さ \(v_o = 20\) m/s で遠ざかるとき、単位時間に受け取る波面の数が減ります。分子に \(-v_o\) を使います:

$$ f' = \frac{V - v_o}{V} f $$

数値を代入します:

$$ f' = \frac{340 - 20}{340} \times 510 = \frac{320}{340} \times 510 $$

分数を計算します:

$$ f' = \frac{16}{17} \times 510 = \frac{16 \times 510}{17} = \frac{8160}{17} = 480 \text{ Hz} $$
答え
(1) \(f' = 540\) Hz(近づく → 高くなる)
(2) \(f' = 480\) Hz(遠ざかる → 低くなる)
補足:音源が動く場合との違い

音源が動く場合は波長(波面間隔)が変化するので分母が変わります。観測者が動く場合は波長は変わらず、単位時間あたりに受け取る波面の数が変わるので分子が変わります。

Point

観測者が動くドップラーでは分子が変わる:\(f' = \dfrac{V \pm v_o}{V}f\)(近づく: \(+\)、遠ざかる: \(-\))。音源移動は分母、観測者移動は分子と覚えましょう。