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Lexikon Physik

Doppler-Effekt

Diese nach Christian Doppler benannte Erscheinung tritt im Alltag vor allem bei Schallwellen auf, kann aber prinzipiell bei allen Arten von Wellen beobachtet werden. Sie äußert sich darin, dass die Frequenz einer Welle sich ändert, wenn sich die Quelle und der Beobachter gegeneinander bewegen.

Beispiel:
Wenn ein Feuerwehrwagen mit Sirene (Quelle) auf einen ruhenden Beobachter (Spaziergänger am Straßenrand) zufährt, so hört der einen höheren Ton, als wenn er neben einem ebenfalls ruhenden Wagen stehen würde. Entfernt sich der Feuerwehrwagen, nimmt er dagegen einen tieferen Ton war.

Bei nichtrelativistischen Geschwindigkeiten gilt die folgende Formel:

\(f_{\rm B} = f_{\rm Q}\cdot \left( \dfrac{c_{\rm S} \pm v_{\rm B} }{ c_{\rm S} \mp v_{\rm B} } \right)\)

Dabei sind fB und fQ die vom Beobachter bzw. direkt bei der Quelle wahrgenommene Frequenz der Welle, cS die Schallgeschwindigkeit bzw. allgemeiner die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Welle relativ zum Ausbreitungsmedium (bei Schall wäre das die Luft, bei seismischen Wellen der Erdkörper) und vB die Geschwindigkeit, mit der sich der Beobachter relativ zum Medium bewegt. (In Zähler und Nenner gilt jeweils das obere Vorzeichen, wenn sich Quelle und Beobachter aufeinander zubewegen, und das untere, wenn sie sich voneinander entfernen.)

Elektromagnetische Wellen und insbesondere Licht haben kein spezielles Ausbreitungsmedium und breiten sich außerdem mit Lichtgeschwindigkeit aus, also relativistisch. Darum findet man bei Licht den sog. relativistischen Doppler-Effekt. Die Formel sieht ähnlich wie oben aus:

\(f_{\rm B,\ rel} = f_{\rm Q,\ rel}\cdot \left( \dfrac{c \pm v }{c \mp v } \right)\)

Jetzt ist aber c die Lichtgeschwindigkeit, also eine Naturkonstante, und v die Relativgeschwindigkeit zwischen Quelle und Beobachter.

Man kann den Doppler-Effekt praktisch nutzen, um die Geschwindigkeit von bewegten Objekten zu messen, etwa in der „Radarfalle“. Fledermäuse und Delfine nutzen den Doppler-Effekt zur räumlichen Orientierung. In der Spektroskopie stört der Doppler-Effet dagegen, da identische Moleküle mit leicht unterschiedlichen Geschwindigkeiten jeweils Messsignale mit entsprechend verschobenen Frequenzen erzeugen.

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